Boorikarbidi (B4C) on kestävä keramiikka, joka koostuu boorista ja hiilestä. Boorikarbidi on yksi kovimmista tunnetuista aineista, ja se on kolmannella sijalla kuutiometrisen boorinitridin ja timantin jälkeen. Se on kovalenttinen materiaali, jota käytetään useissa tärkeissä sovelluksissa, mukaan lukien panssaripanssari, luodinkestävät liivit ja moottorin sabotaasijauheet. Itse asiassa se on suositeltu materiaali moniin teollisiin sovelluksiin. Tässä artikkelissa on yhteenveto boorikarbidista ja sen eduista.

Mikä boorikarbidi oikein on?

Boorikarbidi on tärkeä kemiallinen yhdiste, jonka kiderakenne on tyypillinen ikosaedripohjaisille borideille. Yhdiste löydettiin 1800-luvulla metalliboridireaktioiden sivutuotteena. Sillä tiedettiin olevan kemiallinen kaava vasta 1930-luvulla, jolloin sen kemiallisen koostumuksen arvioitiin olevan B4C. Aineen röntgenkristallografia osoittaa, että sillä on erittäin monimutkainen rakenne, joka koostuu sekä C-B-C-ketjuista että B12-ikosaedreista.

Boorikarbidilla on äärimmäinen kovuus (9,5–9,75 Mohsin asteikolla), stabiilisuus ionisoivaa säteilyä vastaan, kemiallisten reaktioiden kestävyys ja erinomaiset neutroneja suojaavat ominaisuudet. Boorikarbidin Vickers-kovuus, kimmomoduuli ja murtolujuus ovat melkein samat kuin timantilla.

Äärimmäisen kovuutensa vuoksi boorikarbidia kutsutaan myös "mustaksi timantiksi". Sillä on myös osoitettu olevan puolijohtavia ominaisuuksia, ja hyppytyyppinen kuljetus hallitsee sen elektronisia ominaisuuksia. Se on p-tyyppinen puolijohde. Äärimmäisen kovuutensa vuoksi sitä pidetään kulutusta kestävänä teknisenä keraamisena materiaalina, joten se soveltuu muiden erittäin kovien aineiden käsittelyyn. Hyvien mekaanisten ominaisuuksiensa ja pienen ominaispainonsa lisäksi se soveltuu erinomaisesti kevyen panssarin valmistukseen.

Boorikarbidikeramiikan tuotanto

Boorikarbidijauhetta tuotetaan kaupallisesti joko fuusiolla (johon sisältyy boorianhydridin (B2O3) pelkistys hiilellä) tai magnesiotermisellä reaktiolla (johon saatetaan boorianhydridi reagoimaan magnesiumin kanssa noen läsnä ollessa). Ensimmäisessä reaktiossa tuote muodostaa suuren munanmuotoisen palan sulaton keskelle. Tämä munanmuotoinen materiaali uutetaan, murskataan ja jauhetaan sitten sopivaan raekokoon lopullista käyttöä varten.

Magnesiotermisen reaktion tapauksessa saadaan suoraan stoikiometristä karbidia, jonka rakeisuus on alhainen, mutta siinä on epäpuhtauksia, mukaan lukien jopa 2 % grafiittia. Koska boorikarbidi on kovalenttisesti sidottu epäorgaaninen yhdiste, sitä on vaikea sintrata ilman lämpöä ja painetta samanaikaisesti. Tämän vuoksi boorikarbidista tehdään usein tiheitä muotoja kuumapuristamalla hienoja, puhtaita jauheita (2 m) korkeissa lämpötiloissa (2100–2200 °C) tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä.

Toinen menetelmä boorikarbidin valmistamiseksi on paineeton sintraus erittäin korkeassa lämpötilassa (2300–2400 °C), joka on lähellä boorikarbidin sulamispistettä. Tiivistymiseen tarvittavan lämpötilan alentamiseksi tämän prosessin aikana jauheseokseen lisätään sintrausapuaineita, kuten alumiinioksidia, Cr:a, Co:ta, Ni:ta ja lasia.

Boorikarbidikeramiikan sovellukset

Boorikarbidilla on monia erilaisia ​​sovelluksia.

Boorikarbidia käytetään hionta- ja hankausaineena.

Jauhemainen boorikarbidi soveltuu erinomaisesti käytettäväksi hioma- ja läppäysaineena, jolla on korkea materiaalinpoistonopeus erittäin kovia materiaaleja käsiteltäessä.

Boorikarbidia käytetään keraamisten puhallussuuttimien valmistukseen.

Boorikarbidi on erittäin kulutusta kestävä, joten se on erinomainen materiaali sintrattujen suuttimien puhallukseen. Myös käytettäessä erittäin kovien hankaavien puhallusaineiden kanssakuten korundi ja piikarbidi, puhallusteho pysyy samana, kuluminen on vähäistä ja suuttimet ovat kestävämpiä.

Boorikarbidia käytetään ballistisena suojamateriaalina.

Boorikarbidi tarjoaa verrattavan ballistisen suojan panssaroituun teräkseen ja alumiinioksidiin verrattuna, mutta paljon pienemmällä painolla. Nykyaikaisille sotilasvarusteille on ominaista korkea kovuus, puristuslujuus ja korkea kimmokerroin alhaisen painon lisäksi. Boorikarbidi on parempi kuin kaikki muut vaihtoehtoiset materiaalit tähän sovellukseen.

Boorikarbidia käytetään neutronien absorboijana.

Tekniikan kannalta tärkein neutroniabsorberi on B10, jota käytetään boorikarbidina ydinreaktorin ohjauksessa.

Boorin atomirakenne tekee siitä tehokkaan neutroneja absorboivan aineen. Erityisesti 10B-isotoopilla, jota esiintyy noin 20 % sen luonnollisesta runsaudesta, on suuri ydinpoikkileikkaus ja se voi vangita uraanin fissioreaktiossa syntyvät termiset neutronit.

Ydinluokan boorikarbidilevy neutronien absorptioon