Borcarbid (B4C) ist eine langlebige Keramik, die aus Bor und Kohlenstoff besteht. Borcarbid ist eine der härtesten bekannten Substanzen und rangiert hinter kubischem Bornitrid und Diamant an dritter Stelle. Es ist ein kovalentes Material, das in einer Vielzahl entscheidender Anwendungen eingesetzt wird, darunter Panzerpanzerung, kugelsichere Westen und Pulver zur Motorsabotage. Tatsächlich ist es das bevorzugte Material für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Dieser Artikel bietet eine Zusammenfassung von Borcarbid und seinen Vorteilen.
Was genau ist Borcarbid?
Borcarbid ist eine entscheidende chemische Verbindung mit einer Kristallstruktur, die typisch für Boride auf Ikosaederbasis ist. Die Verbindung wurde im 19. Jahrhundert als Nebenprodukt von Metallborid-Reaktionen entdeckt. Es war bis in die 1930er Jahre nicht bekannt, dass es eine chemische Formel hat, als seine chemische Zusammensetzung auf B4C geschätzt wurde. Die Röntgenkristallographie der Substanz zeigt, dass sie eine sehr komplizierte Struktur hat, die sowohl aus C-B-C-Ketten als auch aus B12-Ikosaedern besteht.
Borcarbid besitzt extreme Härte (9,5–9,75 auf der Mohs-Skala), Stabilität gegen ionisierende Strahlung, Beständigkeit gegen chemische Reaktionen und hervorragende Neutronenabschirmungseigenschaften. Die Vickers-Härte, der Elastizitätsmodul und die Bruchzähigkeit von Borcarbid sind fast die gleichen wie die von Diamant.
Aufgrund seiner extremen Härte wird Borcarbid auch als „schwarzer Diamant“ bezeichnet. Es wurde auch gezeigt, dass es halbleitende Eigenschaften besitzt, wobei der hüpfende Transport seine elektronischen Eigenschaften dominiert. Es ist ein Halbleiter vom p-Typ. Aufgrund seiner extremen Härte gilt es als verschleißfestes technisches Keramikmaterial und eignet sich daher für die Bearbeitung anderer extrem harter Stoffe. Neben seinen guten mechanischen Eigenschaften und seinem geringen spezifischen Gewicht ist es ideal für die Herstellung leichter Panzerungen.
Produktion von Borcarbid-Keramik
Borcarbidpulver wird kommerziell entweder durch Schmelzen (bei dem Boranhydrid (B2O3) mit Kohlenstoff reduziert wird) oder durch magnesiothermische Reaktion (bei der Boranhydrid mit Magnesium in Gegenwart von Ruß reagiert) hergestellt. Bei der ersten Reaktion bildet das Produkt im Zentrum der Schmelze einen großen eiförmigen Klumpen. Dieses eiförmige Material wird extrahiert, zerkleinert und dann für die endgültige Verwendung auf die entsprechende Korngröße gemahlen.
Im Fall der magnesiothermischen Reaktion wird direkt stöchiometrisches Carbid mit geringer Körnung erhalten, aber es weist Verunreinigungen auf, einschließlich bis zu 2 % Graphit. Da es sich um eine kovalent gebundene anorganische Verbindung handelt, ist Borcarbid nur schwer zu sintern, ohne gleichzeitig Wärme und Druck anzuwenden. Aus diesem Grund wird Borcarbid oft durch Heißpressen von feinen, reinen Pulvern (2 m) bei hohen Temperaturen (2100–2200 °C) in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre in dichte Formen gebracht.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Borcarbid ist das drucklose Sintern bei einer sehr hohen Temperatur (2300–2400 °C), die nahe am Schmelzpunkt von Borcarbid liegt. Um die für die Verdichtung während dieses Prozesses erforderliche Temperatur zu reduzieren, werden der Pulvermischung Sinterhilfsmittel wie Aluminiumoxid, Cr, Co, Ni und Glas zugesetzt.
Anwendungen von Borcarbid-Keramik
Borcarbid hat viele verschiedene Anwendungen.
Borcarbid wird als Läpp- und Schleifmittel verwendet.
Borcarbid in Pulverform eignet sich hervorragend als Schleif- und Läppmittel mit hoher Abtragsleistung bei der Bearbeitung ultraharter Werkstoffe.
Borcarbid wird zur Herstellung von Strahldüsen aus Keramik verwendet.
Borcarbid ist extrem verschleißfest, was es zu einem hervorragenden Material für Strahldüsen macht, wenn es gesintert wird. Auch beim Einsatz mit extrem harten Strahlmittelnwie Korund und Siliziumkarbid, die Strahlkraft bleibt gleich, der Verschleiß minimal und die Düsen langlebiger.
Borcarbid wird als ballistisches Schutzmaterial verwendet.
Borcarbid bietet einen vergleichbaren ballistischen Schutz wie Panzerstahl und Aluminiumoxid, jedoch bei einem viel geringeren Gewicht. Moderne militärische Ausrüstung zeichnet sich neben einem geringen Gewicht durch eine hohe Härte, Druckfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul aus. Borcarbid ist allen anderen alternativen Materialien für diese Anwendung überlegen.
Als Neutronenabsorber wird Borcarbid verwendet.
In der Technik ist B10 der wichtigste Neutronenabsorber, der als Borcarbid in der Steuerung von Kernreaktoren verwendet wird.
Die atomare Struktur von Bor macht es zu einem effektiven Neutronenabsorber. Insbesondere das 10B-Isotop, das in etwa 20 % seiner natürlichen Häufigkeit vorhanden ist, hat einen hohen Kernquerschnitt und kann die thermischen Neutronen einfangen, die durch die Spaltreaktion von Uran erzeugt werden.
Nukleare Borcarbid-Scheibe für die Neutronenabsorption
