Il carburo di boro (B4C) è una ceramica durevole composta da boro e carbonio. Il carburo di boro è una delle sostanze più dure conosciute, al terzo posto dietro al nitruro di boro cubico e al diamante. È un materiale covalente utilizzato in una varietà di applicazioni cruciali, tra cui armature di carri armati, giubbotti antiproiettile e polveri per il sabotaggio di motori. Infatti, è il materiale preferito per una varietà di applicazioni industriali. Questo articolo fornisce un riepilogo del carburo di boro e dei suoi vantaggi.
Cos'è esattamente il carburo di boro?
Il carburo di boro è un composto chimico fondamentale con una struttura cristallina tipica dei boruri a base icosaedrica. Il composto fu scoperto nel diciannovesimo secolo come sottoprodotto delle reazioni del boruro metallico. Non si sapeva che avesse una formula chimica fino agli anni '30, quando si stimò che la sua composizione chimica fosse B4C. La cristallografia a raggi X della sostanza mostra che ha una struttura molto complicata composta sia da catene C-B-C che da icosaedri B12.
Il carburo di boro possiede un'estrema durezza (9,5–9,75 sulla scala Mohs), stabilità contro le radiazioni ionizzanti, resistenza alle reazioni chimiche ed eccellenti proprietà di schermatura dei neutroni. La durezza Vickers, il modulo elastico e la tenacità alla frattura del carburo di boro sono quasi uguali a quelli del diamante.
A causa della sua estrema durezza, il carburo di boro viene anche chiamato "diamante nero". È stato anche dimostrato che possiede proprietà semiconduttive, con il trasporto di tipo hopping che domina le sue proprietà elettroniche. È un semiconduttore di tipo p. A causa della sua estrema durezza, è considerato un materiale ceramico tecnico resistente all'usura, rendendolo adatto alla lavorazione di altre sostanze estremamente dure. Oltre alle sue buone proprietà meccaniche e al basso peso specifico, è ideale per realizzare armature leggere.
Produzione di ceramiche al carburo di boro
La polvere di carburo di boro viene prodotta commercialmente tramite fusione (che comporta la riduzione dell'anidride di boro (B2O3) con il carbonio) o reazione magnesiotermica (che comporta la reazione dell'anidride di boro con il magnesio in presenza di nerofumo). Nella prima reazione, il prodotto forma un grosso grumo a forma di uovo al centro della fonderia. Questo materiale a forma di uovo viene estratto, frantumato e quindi macinato alla granulometria appropriata per l'uso finale.
Nel caso della reazione magnesiotermica, si ottiene direttamente carburo stechiometrico con bassa granularità, ma presenta impurità, tra cui fino al 2% di grafite. Poiché è un composto inorganico legato in modo covalente, il carburo di boro è difficile da sinterizzare senza applicare contemporaneamente calore e pressione. Per questo motivo, il carburo di boro viene spesso trasformato in forme dense mediante la pressatura a caldo di polveri fini e pure (2 m) ad alte temperature (2100–2200 °C) nel vuoto o in un'atmosfera inerte.
Un altro metodo per produrre il carburo di boro è la sinterizzazione senza pressione a una temperatura molto elevata (2300–2400 °C), che è vicina al punto di fusione del carburo di boro. Per aiutare a ridurre la temperatura richiesta per la densificazione durante questo processo, alla miscela di polveri vengono aggiunti coadiuvanti di sinterizzazione come allumina, Cr, Co, Ni e vetro.
Applicazioni della ceramica al carburo di boro
Il carburo di boro ha molte applicazioni diverse.
Il carburo di boro viene utilizzato come agente lappante e abrasivo.
Il carburo di boro in polvere è ideale per l'uso come agente abrasivo e per lappatura con un'elevata velocità di rimozione del materiale durante la lavorazione di materiali ultraduri.
Il carburo di boro viene utilizzato per fabbricare ugelli di sabbiatura in ceramica.
Il carburo di boro è estremamente resistente all'usura, il che lo rende un materiale eccellente per gli ugelli di sabbiatura quando viene sinterizzato. Anche se utilizzato con abrasivi estremamente duricome il corindone e il carburo di silicio, la potenza di sabbiatura rimane la stessa, l'usura è minima e gli ugelli durano di più.
Il carburo di boro viene utilizzato come materiale di protezione balistica.
Il carburo di boro fornisce una protezione balistica paragonabile a quella dell'acciaio corazzato e dell'ossido di alluminio, ma con un peso molto inferiore. Le moderne attrezzature militari sono caratterizzate da un elevato grado di durezza, resistenza alla compressione e un elevato modulo di elasticità, oltre al peso ridotto. Il carburo di boro è superiore a tutti gli altri materiali alternativi per questa applicazione.
Il carburo di boro è usato come assorbitore di neutroni.
In ingegneria, l'assorbitore di neutroni più importante è B10, utilizzato come carburo di boro nel controllo dei reattori nucleari.
La struttura atomica del boro lo rende un efficace assorbitore di neutroni. In particolare, l'isotopo 10B, presente in circa il 20% della sua abbondanza naturale, ha un'elevata sezione d'urto nucleare e può catturare i neutroni termici che si generano dalla reazione di fissione dell'uranio.
Disco in carburo di boro di grado nucleare per assorbimento di neutroni
