Bor karbid (B4C) je izdržljiva keramika sastavljena od bora i ugljika. Bor karbid jedna je od najtvrđih poznatih tvari, na trećem mjestu iza kubičnog bor nitrida i dijamanta. To je kovalentni materijal koji se koristi u raznim ključnim primjenama, uključujući oklop tenka, pancirne prsluke i prah za sabotažu motora. Zapravo, to je preferirani materijal za razne industrijske primjene. Ovaj članak daje sažetak bor karbida i njegovih prednosti.
Što je zapravo bor karbid?
Bor karbid je ključni kemijski spoj s kristalnom strukturom tipičnom za boride na bazi ikosaedra. Spoj je otkriven u devetnaestom stoljeću kao nusprodukt reakcija metalnih borida. Nije bilo poznato da ima kemijsku formulu sve do 1930-ih, kada je procijenjeno da je njegov kemijski sastav B4C. Rendgenska kristalografija tvari pokazuje da ima vrlo kompliciranu strukturu koju čine i C-B-C lanci i B12 ikosaedri.
Bor karbid posjeduje ekstremnu tvrdoću (9,5–9,75 na Mohsovoj ljestvici), stabilnost na ionizirajuće zračenje, otpornost na kemijske reakcije i izvrsna svojstva zaštite od neutrona. Tvrdoća po Vickersu, modul elastičnosti i otpornost na lom bor karbida gotovo su isti kao kod dijamanta.
Zbog svoje ekstremne tvrdoće, bor karbid se također naziva i "crni dijamant". Također se pokazalo da posjeduje poluvodička svojstva, s skakutavim transportom koji dominira njegovim elektroničkim svojstvima. To je p-tip poluvodiča. Zbog svoje izuzetne tvrdoće smatra se tehničkim keramičkim materijalom otpornim na habanje, što ga čini pogodnim za obradu drugih izuzetno tvrdih tvari. Osim dobrih mehaničkih svojstava i male specifične težine, idealan je za izradu lakih oklopa.
Proizvodnja bor karbid keramike
Bor karbid u prahu komercijalno se proizvodi ili fuzijom (koja uključuje redukciju bor anhidrida (B2O3) s ugljikom) ili magneziotermnom reakcijom (koja uključuje izazivanje bor anhidrida da reagira s magnezijem u prisutnosti čađe). U prvoj reakciji, produkt formira pozamašnu kvržicu u obliku jaja u središtu talionice. Ovaj jajasti materijal se ekstrahira, drobi i potom melje do odgovarajuće veličine zrna za konačnu upotrebu.
U slučaju magnezijotermne reakcije izravno se dobiva stehiometrijski karbid niske granularnosti, ali ima nečistoća, uključujući do 2% grafita. Budući da je kovalentno vezan anorganski spoj, borov karbid teško je sinterirati bez istovremene primjene topline i pritiska. Zbog toga se bor karbid često pravi u guste oblike vrućim prešanjem finih, čistih prahova (2 m) na visokim temperaturama (2100–2200 °C) u vakuumu ili inertnoj atmosferi.
Druga metoda za proizvodnju bor karbida je sinteriranje bez pritiska na vrlo visokoj temperaturi (2300–2400 °C), koja je blizu tališta bor karbida. Kako bi se smanjila temperatura potrebna za zgušnjavanje tijekom ovog procesa, u smjesu praha dodaju se pomoćna sredstva za sinteriranje poput glinice, Cr, Co, Ni i stakla.
Primjena bor karbid keramike
Bor karbid ima mnogo različitih primjena.
Bor karbid se koristi kao sredstvo za lepljenje i abrazivno sredstvo.
Bor karbid u obliku praha idealan je za upotrebu kao abraziv i sredstvo za lepljenje s visokom stopom uklanjanja materijala pri obradi ultratvrdih materijala.
Bor karbid se koristi za proizvodnju keramičkih mlaznica za pjeskarenje.
Bor karbid je izuzetno otporan na trošenje, što ga čini izvrsnim materijalom za pjeskarenje mlaznica kada je sinteriran. Čak i kada se koristi s iznimno jakim abrazivnim sredstvima za pjeskarenjekao što su korund i silicijev karbid, snaga pjeskarenja ostaje ista, trošenje je minimalno, a mlaznice su izdržljivije.
Bor karbid se koristi kao balistički zaštitni materijal.
Bor karbid pruža balističku zaštitu usporedivu s oklopnim čelikom i aluminijevim oksidom, ali uz puno manju težinu. Suvremenu vojnu opremu, uz malu težinu, karakterizira visok stupanj tvrdoće, tlačna čvrstoća i visok modul elastičnosti. Bor karbid je bolji od svih drugih alternativnih materijala za ovu primjenu.
Bor karbid se koristi kao apsorber neutrona.
U inženjerstvu je najvažniji apsorber neutrona B10, koji se koristi kao bor karbid u kontroli nuklearnog reaktora.
Atomska struktura bora čini ga učinkovitim apsorberom neutrona. Konkretno, izotop 10B, prisutan u oko 20% svoje prirodne zastupljenosti, ima veliki nuklearni presjek i može uhvatiti toplinske neutrone koji nastaju reakcijom fisije urana.
Bor karbidni disk nuklearne kvalitete za apsorpciju neutrona
