בורון קרביד (B4C) היא קרמיקה עמידה המורכבת מבורון ופחמן. בורון קרביד הוא אחד החומרים הקשים ביותר הידועים, במקום השלישי אחרי בורון ניטריד ויהלום מעוקב. זהו חומר קוולנטי המשמש במגוון יישומים חיוניים, כולל שריון טנקים, אפודים חסיני כדורים ואבקות חבלה במנוע. למעשה, זהו החומר המועדף עבור מגוון יישומים תעשייתיים. מאמר זה מספק סיכום של Boron Carbide ויתרונותיו.

מה זה בעצם בורון קרביד?

בורון קרביד הוא תרכובת כימית חיונית בעלת מבנה גבישי אופייני לבורידים מבוססי איקוסהדרלים. התרכובת התגלתה במאה התשע-עשרה כתוצר לוואי של תגובות מתכת בוריד. לא היה ידוע שיש לו נוסחה כימית עד שנות ה-30, כאשר ההרכב הכימי שלו הוערך כ-B4C. קריסטלוגרפיית רנטגן של החומר מראה שיש לו מבנה מסובך מאוד המורכב משרשראות C-B-C ו-B12 icosahedra.

בורון קרביד הוא בעל קשיות קיצונית (9.5-9.75 בסולם Mohs), יציבות נגד קרינה מייננת, עמידות לתגובות כימיות ותכונות מיגון נויטרונים מצוינות. קשיות ויקרס, מודול האלסטי וקשיחות השבר של בורון קרביד כמעט זהה לאלו של יהלום.

בשל הקשיחות הקיצונית שלו, בורון קרביד מכונה גם "יהלום שחור". הוכח גם שהוא בעל תכונות מוליכים למחצה, כאשר תחבורה מסוג קפיצה שולטת בתכונות האלקטרוניות שלו. זהו מוליך למחצה מסוג p. בגלל קשיותו הקיצונית, הוא נחשב לחומר קרמי טכני עמיד בפני שחיקה, מה שהופך אותו למתאים לעיבוד חומרים קשים במיוחד אחרים. בנוסף לתכונות המכאניות הטובות והמשקל הסגולי הנמוך שלו, הוא אידיאלי לייצור שריון קל משקל.

ייצור של קרמיקה בורון קרביד

אבקת בורון קרביד מיוצרת באופן מסחרי באמצעות היתוך (הכולל הפחתת בורון אנהידריד (B2O3) עם פחמן) או תגובה מגנזיותרמית (הכוללת גרימת אנהידריד בורון להגיב עם מגנזיום בנוכחות פחמן שחור). בתגובה הראשונה, המוצר יוצר גוש גדול בצורת ביצה במרכז מכונת ההיתוך. חומר זה בצורת ביצה מופק, נמעך ולאחר מכן נטחן לגודל הגרגיר המתאים לשימוש סופי.

במקרה של התגובה המגנזיותרמית, מתקבל ישירות קרביד סטוכיומטרי עם גרנולריות נמוכה, אך יש בו זיהומים, כולל עד 2% גרפיט. מכיוון שמדובר בתרכובת אי-אורגנית קשורה קוולנטית, קשה לסנטור בורון קרביד מבלי להפעיל חום ולחץ בו-זמנית. בגלל זה, בורון קרביד עשוי לעתים קרובות לצורות צפופות על ידי כבישה חמה של אבקות עדינות וטהורות (2 מ') בטמפרטורות גבוהות (2100-2200 מעלות צלזיוס) בוואקום או באווירה אינרטית.

שיטה נוספת לייצור בורון קרביד היא סינטר ללא לחץ בטמפרטורה גבוהה מאוד (2300-2400 מעלות צלזיוס), הקרובה לנקודת ההיתוך של בורון קרביד. כדי לעזור להפחית את הטמפרטורה הנדרשת לצפיפות במהלך תהליך זה, מוסיפים לתערובת האבקה עזרי סינטר כמו אלומינה, Cr, Co, Ni וזכוכית.

יישומים של קרמיקה בורון קרביד

ל-Boron Carbide יש יישומים רבים ושונים.

בורון קרביד משמש כחומר חיכוך ושחיקה.

בורון קרביד בצורת אבקה מתאים באופן אידיאלי לשימוש כחומר שוחק וחפיפה עם קצב גבוה של הסרת חומרים בעת עיבוד חומרים קשים במיוחד.

בורון קרביד משמש לייצור חרירי פיצוץ קרמיים.

בורון קרביד עמיד במיוחד בפני שחיקה, מה שהופך אותו לחומר מצוין לפיצוץ חרירי כשהם חוטאים. גם בשימוש עם חומרי פיצוץ שוחקים קשים במיוחדכגון קורונדום וסיליקון קרביד, כוח הפיצוץ נשאר זהה, יש בלאי מינימלי, והחרירים עמידות יותר.

בורון קרביד משמש כחומר הגנה בליסטי.

בורון קרביד מספק הגנה בליסטית דומה לזו של פלדה משוריינת ותחמוצת אלומיניום אך במשקל נמוך בהרבה. ציוד צבאי מודרני מאופיין בדרגת קשיות גבוהה, חוזק לחיצה ומודול גמישות גבוה, בנוסף למשקל נמוך. Boron Carbide עדיף על כל החומרים האלטרנטיביים האחרים ליישום זה.

בורון קרביד משמש כבולם נויטרונים.

בהנדסה, בולם הנייטרונים החשוב ביותר הוא B10, המשמש כבורון קרביד בבקרת כורים גרעיניים.

המבנה האטומי של בורון הופך אותו לבולם נויטרונים יעיל. בפרט, לאיזוטופ 10B, הקיים בסביבות 20% מהשפע הטבעי שלו, יש חתך גרעיני גבוה והוא יכול ללכוד את הנייטרונים התרמיים הנוצרים מתגובת הביקוע של אורניום.

דיסק בורון קרביד בדרגה גרעינית לספיגת ניוטרונים