Boorkarbiid (B4C) on vastupidav keraamika, mis koosneb boorist ja süsinikust. Boorkarbiid on üks kõvemaid teadaolevaid aineid, olles kuupmeetrilise boornitriidi ja teemandi järel kolmandal kohal. See on kovalentne materjal, mida kasutatakse mitmesugustes olulistes rakendustes, sealhulgas tankisoomustes, kuulikindlates vestides ja mootori sabotaažipulbrites. Tegelikult on see eelistatud materjal mitmesuguste tööstuslike rakenduste jaoks. See artikkel annab kokkuvõtte boorkarbiidist ja selle eelistest.
Mis täpselt on boorkarbiid?
Boorkarbiid on ülioluline keemiline ühend, mille kristallstruktuur on tüüpiline ikosaeedripõhistele boriididele. Ühend avastati üheksateistkümnendal sajandil metallboriidi reaktsioonide kõrvalsaadusena. Sellel oli keemiline valem teada alles 1930. aastatel, kui selle keemilist koostist hinnati B4C-ks. Aine röntgenkristallograafia näitab, et sellel on väga keeruline struktuur, mis koosneb nii C-B-C ahelatest kui ka B12 ikosaeedrist.
Boorkarbiidil on äärmine kõvadus (9,5–9,75 Mohsi skaalal), stabiilsus ioniseeriva kiirguse suhtes, vastupidavus keemilistele reaktsioonidele ja suurepärased neutronite varjestusomadused. Boorkarbiidi Vickersi kõvadus, elastsusmoodul ja purunemistugevus on peaaegu samad, mis teemandil.
Oma äärmise kõvaduse tõttu nimetatakse boorkarbiidi ka "mustaks teemandiks". Samuti on näidatud, et sellel on pooljuhtivad omadused, kusjuures selle elektrooniliste omaduste üle domineerib hüppeline transport. See on p-tüüpi pooljuht. Oma äärmise kõvaduse tõttu peetakse seda kulumiskindlaks tehniliseks keraamiliseks materjaliks, mistõttu sobib see muude eriti kõvade ainete töötlemiseks. Lisaks headele mehaanilistele omadustele ja väikesele erikaalule on see ideaalne kergete soomuste valmistamiseks.
Boorkarbiidkeraamika tootmine
Boorkarbiidi pulbrit toodetakse kaubanduslikult kas sulatamise teel (mis hõlmab booranhüdriidi (B2O3) redutseerimist süsinikuga) või magnesiotermilise reaktsiooni (mis hõlmab booranhüdriidi reageerimist magneesiumiga tahma juuresolekul). Esimeses reaktsioonis moodustab toode sulatusseadme keskele suure munakujulise tüki. See munakujuline materjal ekstraheeritakse, purustatakse ja seejärel jahvatatakse lõppkasutuseks sobiva tera suuruseni.
Magnesiotermilise reaktsiooni korral saadakse otse madala granulaarsusega stöhhiomeetriline karbiid, kuid sellel on lisandeid, sealhulgas kuni 2% grafiiti. Kuna tegemist on kovalentse sidemega anorgaanilise ühendiga, on boorkarbiidi raske paagutada ilma samaaegselt kuumust ja survet rakendamata. Seetõttu valmistatakse boorkarbiidist sageli tihedad kujundid peente, puhaste pulbrite (2 m) kuumpressimisel kõrgel temperatuuril (2100–2200 °C) vaakumis või inertses atmosfääris.
Teine meetod boorkarbiidi tootmiseks on rõhuvaba paagutamine väga kõrgel temperatuuril (2300–2400 °C), mis on boorkarbiidi sulamistemperatuuri lähedal. Selle protsessi ajal tihendamiseks vajaliku temperatuuri vähendamiseks lisatakse pulbrisegule paagutamise abiaineid, nagu alumiiniumoksiid, Cr, Co, Ni ja klaas.
Boorkarbiidkeraamika rakendused
Boorkarbiidil on palju erinevaid rakendusi.
Boorkarbiidi kasutatakse katte- ja abrasiivina.
Pulbri kujul olev boorkarbiid sobib ideaalselt kasutamiseks abrasiivina ja katteainena, mis eemaldab ülikõvade materjalide töötlemisel kiiresti materjali.
Boorkarbiidi kasutatakse keraamiliste lõhkamisdüüside valmistamiseks.
Boorkarbiid on äärmiselt kulumiskindel, mistõttu on see suurepärane materjal paagutamise ajal pihustite puhastamiseks. Isegi kui seda kasutatakse koos ülikõvade abrasiivsete puhastusvahenditeganagu korund ja ränikarbiid, jääb lõhkamisvõimsus samaks, kulumine on minimaalne ja düüsid on vastupidavamad.
Boorkarbiidi kasutatakse ballistilise kaitse materjalina.
Boorkarbiid pakub soomustatud terase ja alumiiniumoksiidiga võrreldavat ballistilist kaitset, kuid palju väiksema kaaluga. Kaasaegset sõjavarustust iseloomustab lisaks väikesele kaalule kõrge kõvadus, survetugevus ja kõrge elastsusmoodul. Boorkarbiid on selle rakenduse jaoks parem kui kõik muud alternatiivsed materjalid.
Boorkarbiidi kasutatakse neutronite absorbeerijana.
Inseneritöös on kõige olulisem neutronite absorbeerija B10, mida kasutatakse tuumareaktori juhtimisel boorkarbiidina.
Boori aatomstruktuur muudab selle tõhusaks neutronite absorbeerijaks. Eelkõige on 10B isotoobil, mida leidub umbes 20% selle looduslikust arvukusest, suur tuuma ristlõige ja see suudab kinni püüda uraani lõhustumisreaktsioonil tekkivaid termilisi neutroneid.
Tuumakvaliteediga boorkarbiidi ketas neutronite neeldumiseks
