Борен карбид (B4C) е издръжлива керамика, съставена от бор и въглерод. Борният карбид е едно от най-твърдите известни вещества, нареждайки се на трето място след кубичния борен нитрид и диаманта. Това е ковалентен материал, използван в различни важни приложения, включително броня на танкове, бронирани жилетки и прахове за саботаж на двигатели. Всъщност това е предпочитаният материал за различни индустриални приложения. Тази статия предоставя обобщение на борния карбид и неговите предимства.

Какво точно е борен карбид?

Борният карбид е изключително важно химическо съединение с кристална структура, типична за боридите на базата на икосаедри. Съединението е открито през деветнадесети век като страничен продукт от реакции на метален борид. Не беше известно, че има химическа формула до 30-те години на миналия век, когато химическият му състав беше оценен на B4C. Рентгеновата кристалография на веществото показва, че то има много сложна структура, съставена както от C-B-C вериги, така и от B12 икосаедри.

Борният карбид притежава изключителна твърдост (9,5–9,75 по скалата на Mohs), стабилност срещу йонизиращо лъчение, устойчивост на химични реакции и отлични свойства за екраниране на неутрони. Твърдостта по Викерс, модулът на еластичност и якостта на счупване на борния карбид са почти същите като тези на диаманта.

Поради изключителната си твърдост, борният карбид се нарича още „черен диамант“. Доказано е също, че притежава полупроводникови свойства, като транспортът от подскачащ тип доминира в неговите електронни свойства. Това е p-тип полупроводник. Поради изключителната си твърдост, той се счита за устойчив на износване технически керамичен материал, което го прави подходящ за обработка на други изключително твърди вещества. В допълнение към добрите си механични свойства и ниското специфично тегло, той е идеален за производство на леки брони.

Производство на борна карбидна керамика

Прахът от борен карбид се произвежда в търговската мрежа чрез синтез (което включва редуциране на борен анхидрид (B2O3) с въглерод) или магнезиотермична реакция (което включва предизвикване на взаимодействие на борен анхидрид с магнезий в присъствието на сажди). При първата реакция продуктът образува голяма бучка с форма на яйце в центъра на топилната машина. Този яйцевиден материал се извлича, раздробява и след това се смила до подходящия размер на зърното за крайна употреба.

В случай на магнезиотермична реакция, директно се получава стехиометричен карбид с ниска гранулатност, но има примеси, включително до 2% графит. Тъй като е ковалентно свързано неорганично съединение, борният карбид е труден за синтероване без едновременно прилагане на топлина и налягане. Поради това борният карбид често се прави в плътни форми чрез горещо пресоване на фини, чисти прахове (2 m) при високи температури (2100–2200 °C) във вакуум или инертна атмосфера.

Друг метод за производство на борен карбид е синтероване без налягане при много висока температура (2300–2400 °C), която е близка до точката на топене на борния карбид. За да се намали температурата, необходима за уплътняване по време на този процес, към прахообразната смес се добавят спомагателни вещества за синтероване като алуминий, Cr, Co, Ni и стъкло.

Приложения на керамика от борен карбид

Борният карбид има много различни приложения.

Борният карбид се използва като прилепващ и абразивен агент.

Борният карбид под формата на прах е идеално подходящ за използване като абразив и прилепващ агент с висока степен на отстраняване на материал при обработка на ултратвърди материали.

Борният карбид се използва за производство на керамични бластиращи дюзи.

Борният карбид е изключително устойчив на износване, което го прави отличен материал за бластиране на дюзи, когато е синтерован. Дори когато се използва с изключително твърди абразивни бластиращи агентикато корунд и силициев карбид, мощността на взривяване остава същата, има минимално износване и дюзите са по-издръжливи.

Борният карбид се използва като балистичен защитен материал.

Борният карбид осигурява сравнима балистична защита с тази на бронирана стомана и алуминиев оксид, но при много по-ниско тегло. Съвременната военна техника се характеризира с висока степен на твърдост, якост на натиск и висок модул на еластичност, в допълнение към ниското тегло. Борният карбид превъзхожда всички други алтернативни материали за това приложение.

Борният карбид се използва като абсорбатор на неутрони.

В инженерството най-важният абсорбатор на неутрони е B10, използван като борен карбид в контрола на ядрени реактори.

Атомната структура на бора го прави ефективен абсорбатор на неутрони. По-специално, изотопът 10B, присъстващ в около 20% от естественото му изобилие, има високо ядрено напречно сечение и може да улови топлинните неутрони, които се генерират от реакцията на делене на урана.

Диск от борен карбид с ядрен клас за абсорбция на неутрони