Karbid boru (B4C) je odolná keramika složená z boru a uhlíku. Karbid boru je jednou z nejtvrdších známých látek a řadí se na třetí místo za kubický nitrid bóru a diamant. Jedná se o kovalentní materiál používaný v různých klíčových aplikacích, včetně pancéřování tanků, neprůstřelných vest a sabotážních prachů motorů. Ve skutečnosti je to preferovaný materiál pro různé průmyslové aplikace. Tento článek poskytuje shrnutí karbidu boru a jeho výhod.

Co přesně je karbid boru?

Karbid boru je klíčová chemická sloučenina s krystalickou strukturou typickou pro boridy na bázi ikosaedrických boridů. Sloučenina byla objevena v devatenáctém století jako vedlejší produkt reakcí boridů kovů. To, že má chemický vzorec, nebylo známo až do 30. let 20. století, kdy bylo jeho chemické složení odhadováno na B4C. Rentgenová krystalografie látky ukazuje, že má velmi komplikovanou strukturu tvořenou jak řetězci C-B-C, tak ikosahedry B12.

Karbid boru má extrémní tvrdost (9,5–9,75 na Mohsově stupnici), stabilitu vůči ionizujícímu záření, odolnost vůči chemickým reakcím a vynikající vlastnosti stínění neutronů. Tvrdost podle Vickerse, modul pružnosti a lomová houževnatost karbidu bóru jsou téměř stejné jako u diamantu.

Díky své extrémní tvrdosti je karbid boru také označován jako „černý diamant“. Bylo také prokázáno, že má polovodičové vlastnosti, přičemž jeho elektronickým vlastnostem dominuje transport typu skákání. Jedná se o polovodič typu p. Pro svou extrémní tvrdost je považována za technickou keramiku odolnou proti opotřebení, takže je vhodná pro zpracování jiných extrémně tvrdých látek. Kromě dobrých mechanických vlastností a nízké specifické hmotnosti je ideální pro výrobu lehkého brnění.

Výroba keramiky z karbidu boru

Prášek karbidu boru se komerčně vyrábí buď fúzí (což zahrnuje redukci anhydridu boru (B2O3) uhlíkem) nebo magnesiotermickou reakcí (která zahrnuje reakci anhydridu boru s hořčíkem v přítomnosti sazí). Při první reakci vytvoří produkt ve středu huti rozměrnou hrudku ve tvaru vejce. Tento vejčitý materiál se extrahuje, drtí a poté mele na vhodnou velikost zrna pro konečné použití.

V případě magnesiotermické reakce se přímo získává stechiometrický karbid s nízkou zrnitostí, který však obsahuje nečistoty, včetně až 2 % grafitu. Protože se jedná o kovalentně vázanou anorganickou sloučeninu, je obtížné slinovat karbid boru bez současného působení tepla a tlaku. Z tohoto důvodu se karbid boru často vyrábí do hustých tvarů lisováním jemných, čistých prášků za tepla (2 m) při vysokých teplotách (2100–2200 °C) ve vakuu nebo v inertní atmosféře.

Další metodou výroby karbidu boru je beztlakové slinování při velmi vysoké teplotě (2300–2400 °C), která se blíží bodu tání karbidu boru. Pro snížení teploty potřebné pro zhuštění během tohoto procesu se do práškové směsi přidávají slinovací přísady, jako je oxid hlinitý, Cr, Co, Ni a sklo.

Aplikace keramiky karbidu boru

Karbid boru má mnoho různých aplikací.

Karbid boru se používá jako lapovací a abrazivní prostředek.

Karbid boru v práškové formě se ideálně hodí pro použití jako abrazivní a lapovací prostředek s vysokou rychlostí úběru materiálu při zpracování ultratvrdých materiálů.

Karbid boru se používá k výrobě keramických tryskacích trysek.

Karbid boru je extrémně odolný proti opotřebení, díky čemuž je vynikajícím materiálem pro tryskací trysky při slinování. I při použití s ​​extrémně tvrdými abrazivními tryskacími prostředkyjako je korund a karbid křemíku, tryskací výkon zůstává stejný, dochází k minimálnímu opotřebení a trysky jsou odolnější.

Karbid boru se používá jako balistický ochranný materiál.

Karbid boru poskytuje balistickou ochranu srovnatelnou s pancéřovou ocelí a oxidem hlinitým, ale při mnohem nižší hmotnosti. Moderní vojenská technika se kromě nízké hmotnosti vyznačuje vysokým stupněm tvrdosti, pevnosti v tlaku a vysokým modulem pružnosti. Karbid boru je pro tuto aplikaci lepší než všechny ostatní alternativní materiály.

Karbid boru se používá jako absorbér neutronů.

Ve strojírenství je nejdůležitějším absorbérem neutronů B10, který se používá jako karbid boru při řízení jaderných reaktorů.

Atomová struktura boru z něj činí účinný absorbér neutronů. Zejména izotop 10B, přítomný v přibližně 20 % svého přirozeného množství, má velký jaderný průřez a může zachytit tepelné neutrony, které vznikají při štěpné reakci uranu.

Disk z karbidu boru v jaderné kvalitě pro absorpci neutronů