Το καρβίδιο του βορίου (B4C) είναι ένα ανθεκτικό κεραμικό που αποτελείται από βόριο και άνθρακα. Το καρβίδιο του βορίου είναι μια από τις πιο σκληρές ουσίες που είναι γνωστές, καταλαμβάνοντας την τρίτη θέση πίσω από το κυβικό νιτρίδιο του βορίου και το διαμάντι. Είναι ένα ομοιοπολικό υλικό που χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία κρίσιμων εφαρμογών, όπως θωράκιση τανκ, αλεξίσφαιρα γιλέκα και σκόνες δολιοφθοράς κινητήρα. Στην πραγματικότητα, είναι το προτιμώμενο υλικό για μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών. Αυτό το άρθρο παρέχει μια περίληψη του καρβιδίου του βορίου και των πλεονεκτημάτων του.

Τι ακριβώς είναι το καρβίδιο του βορίου;

Το καρβίδιο του βορίου είναι μια κρίσιμη χημική ένωση με κρυσταλλική δομή χαρακτηριστική των βοριδίων με βάση τα εικοσάεδρα. Η ένωση ανακαλύφθηκε τον δέκατο ένατο αιώνα ως υποπροϊόν αντιδράσεων μεταλλοβοριδίου. Δεν ήταν γνωστό ότι είχε χημικό τύπο μέχρι τη δεκαετία του 1930, όταν η χημική του σύσταση υπολογίστηκε ότι ήταν B4C. Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ της ουσίας δείχνει ότι έχει μια πολύ περίπλοκη δομή που αποτελείται τόσο από αλυσίδες C-B-C όσο και από εικοσάεδρα Β12.

Το καρβίδιο του βορίου διαθέτει εξαιρετική σκληρότητα (9,5–9,75 στην κλίμακα Mohs), σταθερότητα έναντι της ιονίζουσας ακτινοβολίας, αντοχή σε χημικές αντιδράσεις και εξαιρετικές ιδιότητες θωράκισης νετρονίων. Η σκληρότητα Vickers, ο συντελεστής ελαστικότητας και η ανθεκτικότητα στη θραύση του καρβιδίου του βορίου είναι σχεδόν ίδια με εκείνα του διαμαντιού.

Λόγω της εξαιρετικής σκληρότητάς του, το καρβίδιο του βορίου αναφέρεται επίσης ως "μαύρο διαμάντι". Έχει επίσης αποδειχθεί ότι διαθέτει ημιαγώγιμες ιδιότητες, με τη μεταφορά τύπου hopping να κυριαρχεί στις ηλεκτρονικές του ιδιότητες. Είναι ημιαγωγός τύπου p. Λόγω της εξαιρετικής σκληρότητάς του, θεωρείται ανθεκτικό στη φθορά τεχνικό κεραμικό υλικό, καθιστώντας το κατάλληλο για την επεξεργασία άλλων εξαιρετικά σκληρών ουσιών. Εκτός από τις καλές μηχανικές του ιδιότητες και το χαμηλό ειδικό βάρος, είναι ιδανικό για την κατασκευή ελαφριάς θωράκισης.

Παραγωγή κεραμικών καρβιδίου βορίου

Η σκόνη καρβιδίου του βορίου παράγεται εμπορικά είτε μέσω σύντηξης (που περιλαμβάνει μείωση του ανυδρίτη του βορίου (B2O3) με άνθρακα) είτε μέσω μαγνησιοθερμικής αντίδρασης (που συνεπάγεται την αντίδραση του ανυδρίτη του βορίου με το μαγνήσιο παρουσία αιθάλης). Στην πρώτη αντίδραση, το προϊόν σχηματίζει ένα μεγάλο κομμάτι σε σχήμα αυγού στο κέντρο του μεταλλουργείου. Αυτό το υλικό σε σχήμα αυγού εκχυλίζεται, συνθλίβεται και στη συνέχεια αλέθεται στο κατάλληλο μέγεθος κόκκου για τελική χρήση.

Στην περίπτωση της μαγνησιοθερμικής αντίδρασης, λαμβάνεται απευθείας στοιχειομετρικό καρβίδιο με χαμηλή κοκκοποίηση, αλλά έχει ακαθαρσίες, συμπεριλαμβανομένου γραφίτη έως και 2%. Επειδή είναι μια ανόργανη ένωση με ομοιοπολικούς δεσμούς, το καρβίδιο του βορίου είναι δύσκολο να πυροσυσσωματωθεί χωρίς να ασκηθεί θερμότητα και πίεση ταυτόχρονα. Εξαιτίας αυτού, το καρβίδιο του βορίου γίνεται συχνά σε πυκνά σχήματα με θερμή συμπίεση λεπτών, καθαρών σκονών (2 m) σε υψηλές θερμοκρασίες (2100–2200 °C) σε κενό ή αδρανή ατμόσφαιρα.

Μια άλλη μέθοδος για την παραγωγή καρβιδίου βορίου είναι η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση σε πολύ υψηλή θερμοκρασία (2300–2400 °C), η οποία είναι κοντά στο σημείο τήξης του καρβιδίου του βορίου. Για να μειωθεί η θερμοκρασία που απαιτείται για την πύκνωση κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, προστίθενται στο μείγμα σκόνης βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης όπως αλουμίνα, Cr, Co, Ni και γυαλί.

Εφαρμογές κεραμικών καρβιδίου βορίου

Το καρβίδιο του βορίου έχει πολλές διαφορετικές εφαρμογές.

Το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται ως επικαλυπτικό και λειαντικό μέσο.

Το καρβίδιο του βορίου σε μορφή σκόνης είναι ιδανικά κατάλληλο για χρήση ως λειαντικό και επικαλυπτικό μέσο με υψηλό ποσοστό αφαίρεσης υλικού κατά την επεξεργασία εξαιρετικά σκληρών υλικών.

Το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται για την κατασκευή κεραμικών ακροφυσίων αμμοβολής.

Το καρβίδιο του βορίου είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη φθορά, καθιστώντας το ένα εξαιρετικό υλικό για την ανατίναξη των ακροφυσίων κατά τη σύντηξη. Ακόμη και όταν χρησιμοποιείται με εξαιρετικά σκληρά λειαντικά μέσα ανατίναξηςόπως το κορούνδιο και το καρβίδιο του πυριτίου, η ισχύς ανατίναξης παραμένει ίδια, υπάρχει ελάχιστη φθορά και τα ακροφύσια είναι πιο ανθεκτικά.

Το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται ως υλικό βαλλιστικής προστασίας.

Το καρβίδιο του βορίου παρέχει συγκρίσιμη βαλλιστική προστασία με αυτή του θωρακισμένου χάλυβα και του οξειδίου του αλουμινίου, αλλά σε πολύ χαμηλότερο βάρος. Ο σύγχρονος στρατιωτικός εξοπλισμός χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό σκληρότητας, αντοχή σε θλίψη και υψηλό μέτρο ελαστικότητας, εκτός από το χαμηλό βάρος. Το καρβίδιο του βορίου είναι ανώτερο από όλα τα άλλα εναλλακτικά υλικά για αυτήν την εφαρμογή.

Το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται ως απορροφητής νετρονίων.

Στη μηχανική, ο πιο σημαντικός απορροφητής νετρονίων είναι το B10, που χρησιμοποιείται ως καρβίδιο του βορίου στον έλεγχο πυρηνικών αντιδραστήρων.

Η ατομική δομή του βορίου το καθιστά αποτελεσματικό απορροφητή νετρονίων. Συγκεκριμένα, το ισότοπο 10Β, που υπάρχει περίπου στο 20% της φυσικής του αφθονίας, έχει υψηλή πυρηνική διατομή και μπορεί να συλλάβει τα θερμικά νετρόνια που παράγονται από την αντίδραση σχάσης του ουρανίου.

Δίσκος καρβιδίου βορίου πυρηνικής ποιότητας για απορρόφηση νετρονίων