A Boron Carbide (B4C) egy bórból és szénből álló, tartós kerámia. A bór-karbid az egyik legkeményebb ismert anyag, a köbös bór-nitrid és a gyémánt mögött a harmadik helyen áll. Ez egy kovalens anyag, amelyet számos kulcsfontosságú alkalmazásban használnak, beleértve a tankpáncélt, a golyóálló mellényeket és a motorszabotázsporokat. Valójában ez az előnyben részesített anyag különféle ipari alkalmazásokhoz. Ez a cikk összefoglalja a bór-karbidot és annak előnyeit.
Mi is pontosan az a bórkarbid?
A bór-karbid egy kulcsfontosságú kémiai vegyület, amelynek kristályszerkezete jellemző az ikozaéder alapú boridokra. A vegyületet a tizenkilencedik században fedezték fel fémborid reakciók melléktermékeként. Az 1930-as évekig nem volt ismert kémiai képlete, amikor kémiai összetételét B4C-re becsülték. Az anyag röntgenkrisztallográfiája azt mutatja, hogy nagyon bonyolult szerkezete van, amely C-B-C láncokból és B12 ikozaéderekből áll.
A bór-karbid rendkívül kemény (9,5–9,75 a Mohs-skálán), ionizáló sugárzással szembeni stabilitása, kémiai reakciókkal szembeni ellenálló képessége és kiváló neutronárnyékoló tulajdonságai. A bór-karbid Vickers-keménysége, rugalmassági modulusa és törési szívóssága majdnem megegyezik a gyémántéval.
Rendkívüli keménysége miatt a bór-karbidot „fekete gyémántnak” is nevezik. Kimutatták, hogy félvezető tulajdonságokkal is rendelkezik, az ugráló típusú transzport uralja az elektronikus tulajdonságait. Ez egy p-típusú félvezető. Rendkívüli keménysége miatt kopásálló műszaki kerámia anyagnak számít, így alkalmas más rendkívül kemény anyagok feldolgozására is. Jó mechanikai tulajdonságai és alacsony fajsúlya mellett ideális könnyű páncélok készítésére.
Bórkarbid kerámiák gyártása
A bór-karbid port kereskedelmi forgalomban vagy fúzióval állítják elő (amely magában foglalja a bór-anhidrid (B2O3) szénnel történő redukálását), vagy magnezioterm reakcióval (amely során a bór-anhidridet magnéziummal reagáltatják korom jelenlétében). Az első reakcióban a termék egy jókora tojás alakú csomót képez a kohó közepén. Ezt a tojás alakú anyagot kivonják, összetörik, majd a végső felhasználáshoz megfelelő szemcseméretűre őrlik.
A magnezioterm reakció esetén közvetlenül kis szemcsésségű sztöchiometrikus karbidot kapunk, amely azonban szennyeződéseket tartalmaz, köztük legfeljebb 2% grafitot. Mivel kovalens kötésű szervetlen vegyületről van szó, a bór-karbidot nehéz szinterezni anélkül, hogy hőt és nyomást egyszerre alkalmaznának. Emiatt a bór-karbidot gyakran finom, tiszta porok (2 m) magas hőmérsékleten (2100–2200 °C) vákuumban vagy inert atmoszférában történő forró sajtolásával készítik sűrű formákat.
A bór-karbid előállításának másik módja a nyomás nélküli szinterezés nagyon magas hőmérsékleten (2300–2400 °C), amely közel van a bór-karbid olvadáspontjához. A folyamat során a tömörítéshez szükséges hőmérséklet csökkentése érdekében szinterezési segédanyagokat, például alumínium-oxidot, króm-oxidot, co-t, nikot és üveget adnak a porkeverékhez.
A bórkarbid kerámiák alkalmazásai
A bór-karbidnak számos különféle alkalmazása van.
A bór-karbidot lefedő- és csiszolóanyagként használják.
A por alakú bór-karbid kiválóan alkalmas csiszoló- és lefedőszerként történő felhasználásra, nagy sebességű anyageltávolítással ultrakemény anyagok feldolgozásakor.
A bór-karbidot kerámia fúvókák gyártására használják.
A bór-karbid rendkívül kopásálló, így szinterezéskor kiváló anyag a fúvókák kifúvatásához. Még akkor is, ha rendkívül kemény, koptató hatású szemcseszórásokkal használjákmint például a korund és a szilícium-karbid, a robbantási teljesítmény változatlan marad, minimális a kopás, és a fúvókák tartósabbak.
A bór-karbidot ballisztikai védőanyagként használják.
A bór-karbid hasonló ballisztikai védelmet nyújt, mint a páncélozott acél és az alumínium-oxid, de sokkal kisebb tömeggel. A modern haditechnikai eszközöket a kis tömeg mellett nagy keménység, nyomószilárdság, nagy rugalmassági modulus jellemzi. A bór-karbid jobb, mint az összes többi alternatív anyag ehhez az alkalmazáshoz.
A bór-karbidot neutronelnyelőként használják.
A műszaki tudományban a legfontosabb neutronelnyelő a B10, amelyet bór-karbidként használnak az atomreaktorok szabályozásában.
A bór atomszerkezete hatékony neutronelnyelővé teszi. Különösen a 10B izotóp, amely természetes előfordulásának körülbelül 20%-ában jelen van, nagy magkeresztmetszetű, és képes befogni az urán hasadási reakciója során keletkező termikus neutronokat.
Nukleáris minőségű bór-karbid tárcsa neutronelnyeléshez
