Bor Karbid (B4C) je izdržljiva keramika koja se sastoji od bora i ugljika. Borov karbid je jedna od najtvrđih poznatih supstanci, na trećem je mjestu iza kubičnog borovog nitrida i dijamanta. To je kovalentni materijal koji se koristi u raznim ključnim aplikacijama, uključujući oklop tenkova, pancire i prah za sabotažu motora. Zapravo, to je poželjan materijal za razne industrijske primjene. Ovaj članak daje sažetak borovog karbida i njegovih prednosti.
Šta je zapravo boron karbid?
Borov karbid je ključno hemijsko jedinjenje sa kristalnom strukturom tipičnom za boride na bazi ikosaedara. Jedinjenje je otkriveno u devetnaestom veku kao nusprodukt reakcija metalnih borida. Nije bilo poznato da ima hemijsku formulu sve do 1930-ih, kada je procenjen da je njen hemijski sastav B4C. Rendgenska kristalografija supstance pokazuje da ima veoma komplikovanu strukturu koju čine i C-B-C lanci i B12 ikosaedri.
Borov karbid posjeduje ekstremnu tvrdoću (9,5-9,75 po Mohsovoj skali), stabilnost na jonizujuće zračenje, otpornost na hemijske reakcije i odlična svojstva zaštite od neutrona. Tvrdoća po Vickersu, modul elastičnosti i žilavost loma Bor-karbida su gotovo isti kao i dijamanta.
Zbog svoje ekstremne tvrdoće, boron karbid se naziva i "crni dijamant". Takođe se pokazalo da poseduje poluprovodnička svojstva, pri čemu transport skakaćeg tipa dominira njegovim elektronskim svojstvima. To je poluvodič p-tipa. Zbog svoje ekstremne tvrdoće smatra se tehničkim keramičkim materijalom otpornim na habanje, što ga čini pogodnim za obradu drugih izuzetno tvrdih supstanci. Pored dobrih mehaničkih svojstava i male specifične težine, idealan je za izradu laganog oklopa.
Proizvodnja keramike od karbida bora
Borov karbid u prahu se komercijalno proizvodi ili fuzijom (koja uključuje redukciju anhidrida bora (B2O3) sa ugljikom) ili magnezijotermnom reakcijom (koja uključuje reakciju anhidrida bora s magnezijem u prisustvu čađe). U prvoj reakciji, proizvod formira veliku kvržicu u obliku jajeta u središtu topionice. Ovaj materijal u obliku jajeta se ekstrahuje, drobi, a zatim melje do odgovarajuće veličine zrna za konačnu upotrebu.
U slučaju magneziotermne reakcije, stehiometrijski karbid niske granularnosti se dobija direktno, ali ima nečistoće, uključujući do 2% grafita. Budući da je kovalentno vezano neorgansko jedinjenje, boron karbid teško je sinterirati bez primjene topline i pritiska istovremeno. Zbog toga se karbid bora često pretvara u guste oblike vrućim prešanjem finog, čistog praha (2 m) na visokim temperaturama (2100–2200 °C) u vakuumu ili inertnoj atmosferi.
Druga metoda za proizvodnju boron karbida je sinterovanje bez pritiska na vrlo visokoj temperaturi (2300–2400 °C), koja je blizu tačke topljenja bor karbida. Kako bi se smanjila temperatura potrebna za zgušnjavanje tokom ovog procesa, u mješavinu praha se dodaju pomoćna sredstva za sinteriranje poput glinice, Cr, Co, Ni i stakla.
Primjena keramike od karbida bora
Bor karbid ima mnogo različitih aplikacija.
Borov karbid se koristi kao sredstvo za prelivanje i brušenje.
Bor karbid u obliku praha je idealno prikladan za upotrebu kao abraziv i sredstvo za prevlačenje s velikom brzinom uklanjanja materijala pri obradi ultra tvrdih materijala.
Borov karbid se koristi za proizvodnju keramičkih mlaznica za pjeskarenje.
Borov karbid je izuzetno otporan na habanje, što ga čini odličnim materijalom za mlaznice za pjeskarenje kada se sinterira. Čak i kada se koristi sa izuzetno tvrdim abrazivnim sredstvima za pjeskarenjekao što su korund i silicijum karbid, snaga peskarenja ostaje ista, postoji minimalno habanje, a mlaznice su izdržljivije.
Borov karbid se koristi kao balistički zaštitni materijal.
Bor karbid pruža uporedivu balističku zaštitu sa oklopnim čelikom i aluminijskim oksidom, ali s mnogo manjom težinom. Modernu vojnu opremu karakteriše visok stepen tvrdoće, čvrstoća na pritisak i visok modul elastičnosti, pored male težine. Borov karbid je superiorniji od svih drugih alternativnih materijala za ovu primjenu.
Bor karbid se koristi kao apsorber neutrona.
U inženjerstvu, najvažniji apsorber neutrona je B10, koji se koristi kao borov karbid u kontroli nuklearnog reaktora.
Atomska struktura bora čini ga efikasnim apsorberom neutrona. Konkretno, izotop 10B, prisutan u oko 20% svog prirodnog izobilja, ima visok nuklearni presjek i može uhvatiti toplinske neutrone koji nastaju reakcijom fisije uranijuma.
Disk od bor karbida nuklearnog kvaliteta za apsorpciju neutrona
