كربيد البورون (B4C) عبارة عن سيراميك متين يتكون من البورون والكربون. كربيد البورون هو أحد أصعب المواد المعروفة ، ويحتل المرتبة الثالثة بعد مكعب نيتريد البورون والألماس. إنها مادة تساهمية تستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الحاسمة ، بما في ذلك دروع الدبابات والسترات الواقية من الرصاص ومساحيق تخريب المحرك. في الواقع ، إنها المادة المفضلة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية. تقدم هذه المقالة ملخصًا عن كربيد البورون ومزاياه.

ما هو البورون كربيد بالضبط؟

يعتبر كربيد البورون مركبًا كيميائيًا مهمًا له بنية بلورية نموذجية من البوريدات القائمة على إيكوساهدرا. تم اكتشاف المركب في القرن التاسع عشر كمنتج ثانوي لتفاعلات بوريد المعدن. لم يكن معروفًا أن لها صيغة كيميائية حتى ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما قُدر تركيبها الكيميائي بـ B4C. يُظهر علم البلورات بالأشعة السينية للمادة أن لها بنية معقدة للغاية تتكون من سلاسل C-B-C و B12 عشروني الوجوه.

يمتلك كربيد البورون صلابة شديدة (9.5-9.75 على مقياس موس) ، وثبات ضد الإشعاع المؤين ، ومقاومة للتفاعلات الكيميائية ، وخصائص حماية نيوترونية ممتازة. تكاد صلابة فيكرز ، ومعامل المرونة ، وصلابة الكسر في كربيد البورون هي نفسها صلابة الماس.

بسبب صلابته الشديدة ، يشار إلى كربيد البورون أيضًا باسم "الماس الأسود". وقد ثبت أيضًا أنه يمتلك خصائص شبه موصلة ، حيث يهيمن النقل من نوع التنقل على خصائصه الإلكترونية. إنه أشباه موصلات من النوع p. نظرًا لصلابتها الشديدة ، فهي تعتبر مادة خزفية تقنية مقاومة للاهتراء ، مما يجعلها مناسبة لمعالجة المواد الأخرى شديدة الصلابة. بالإضافة إلى خصائصه الميكانيكية الجيدة والجاذبية النوعية المنخفضة ، فهو مثالي لصنع دروع خفيفة الوزن.

إنتاج سيراميك كربيد البورون

يتم إنتاج مسحوق كربيد البورون تجاريًا من خلال الاندماج (الذي يتضمن تقليل البورون أنهيدريد (B2O3) بالكربون) أو تفاعل المغنيسيوم الحراري (الذي يتضمن التسبب في تفاعل أنهيدريد البورون مع المغنيسيوم في وجود أسود الكربون). في التفاعل الأول ، يشكل المنتج كتلة كبيرة على شكل بيضة في وسط المصهر. يتم استخلاص هذه المادة على شكل بيضة ، وسحقها ، ثم طحنها إلى حجم الحبوب المناسب للاستخدام النهائي.

في حالة تفاعل المغنيسيوم الحراري ، يتم الحصول على كربيد متكافئ مع حبيبات منخفضة مباشرة ، ولكنه يحتوي على شوائب ، بما في ذلك ما يصل إلى 2 ٪ من الجرافيت. لأنه مركب غير عضوي مرتبط تساهميًا ، يصعب تلبيد بورون كربيد دون استخدام الحرارة والضغط في وقت واحد. لهذا السبب ، غالبًا ما يتم تحويل بورون كاربايد إلى أشكال كثيفة عن طريق الضغط الساخن على مساحيق ناعمة ونقية (2 م) عند درجات حرارة عالية (2100-2200 درجة مئوية) في فراغ أو جو خامل.

هناك طريقة أخرى لإنتاج كربيد البورون وهي التلبيد عديم الضغط عند درجة حرارة عالية جدًا (2300-2400 درجة مئوية) ، وهي قريبة من نقطة انصهار كربيد البورون. للمساعدة في تقليل درجة الحرارة المطلوبة للتكثيف أثناء هذه العملية ، تتم إضافة مواد التلبيد مثل الألومينا والكروم والكربون والنيكل والزجاج إلى مزيج المسحوق.

تطبيقات سيراميك كربيد البورون

يحتوي كربيد البورون على العديد من التطبيقات المختلفة.

يستخدم كربيد البورون كعامل تكسير وكشط.

يعتبر كربيد البورون في شكل مسحوق مناسبًا بشكل مثالي للاستخدام كعامل جلخ وعامل تكسير مع نسبة عالية من إزالة المواد عند معالجة المواد شديدة الصلابة.

يستخدم كربيد البورون لتصنيع فوهات رش السيراميك.

كربيد البورون مقاوم للغاية للتآكل ، مما يجعله مادة ممتازة لتفجير الفوهات عند التكلس. حتى عند استخدامها مع عوامل تفجير شديدة الصلابةمثل اكسيد الالمونيوم وكربيد السيليكون ، تظل قوة التفجير كما هي ، وهناك حد أدنى من التآكل ، وتكون الفتحات أكثر متانة.

يستخدم كربيد البورون كمواد حماية باليستية.

يوفر كربيد البورون حماية باليستية مماثلة لتلك الموجودة في الفولاذ المدرع وأكسيد الألومنيوم ولكن بوزن أقل بكثير. تتميز المعدات العسكرية الحديثة بدرجة عالية من الصلابة وقوة الضغط ومعامل المرونة العالي بالإضافة إلى الوزن الخفيف. يتفوق بورون كاربايد على جميع المواد البديلة الأخرى لهذا التطبيق.

يستخدم كربيد البورون كممتص للنيوترونات.

في الهندسة ، يعتبر B10 أهم ممتص للنيوترونات ، ويستخدم كربيد البورون في التحكم في المفاعلات النووية.

يجعل التركيب الذري للبورون مادة فعالة لامتصاص النيوترونات. على وجه الخصوص ، فإن نظير 10B ، الموجود في حوالي 20 ٪ من وفرته الطبيعية ، له مقطع عرضي نووي عالٍ ويمكنه التقاط النيوترونات الحرارية الناتجة عن تفاعل انشطار اليورانيوم.

قرص كربيد البورون النووي لامتصاص النيوترونات