炭化ホウ素（B4C）は、ホウ素と炭素で構成された耐久性のあるセラミックです。炭化ホウ素は知られている中で最も硬い物質の 1 つであり、立方晶窒化ホウ素とダイヤモンドに次いで 3 番目にランクされています。これは、戦車の装甲、防弾チョッキ、エンジン破壊工作の粉など、さまざまな重要な用途で利用される共有結合材料です。実際、さまざまな産業用途に適した素材です。この記事では、炭化ホウ素の概要とその利点について説明します。

炭化ホウ素とは正確には何ですか?

炭化ホウ素は、二十面体ベースのホウ化物に典型的な結晶構造を持つ重要な化合物です。この化合物は、金属ホウ化物反応の副産物として 19 世紀に発見されました。化学組成が B4C であると推定された 1930 年代まで、化学式を持つことは知られていませんでした。この物質のX線結晶学は、C-B-C鎖とB12二十面体の両方からなる非常に複雑な構造を持っていることを示しています。

炭化ホウ素は、極端な硬度（モーススケールで9.5〜9.75）、電離放射線に対する安定性、化学反応に対する耐性、および優れた中性子遮蔽特性を備えています。炭化ホウ素のビッカース硬度、弾性率、破壊靭性はダイヤモンドとほぼ同じです。

炭化ホウ素は非常に硬度が高いため、「ブラック ダイヤモンド」とも呼ばれます。また、ホッピング型輸送がその電子特性を支配する半導体特性を有することも示されています。 p型半導体です。非常に硬度が高いため、耐摩耗性のテクニカル セラミック材料と見なされ、他の非常に硬い物質の処理に適しています。優れた機械的特性と低比重に加えて、軽量の鎧を作るのに理想的です。

炭化ホウ素セラミックスの製造

炭化ホウ素粉末は、融合（ホウ素無水物（B2O3）を炭素で還元することを含む）または磁気熱反応（カーボンブラックの存在下でホウ素無水物をマグネシウムと反応させることを含む）のいずれかによって商業的に生産されます。最初の反応で、生成物は製錬所の中央に大きな卵形の塊を形成します。この卵形の材料は、抽出され、粉砕され、最終的な使用に適した粒度に粉砕されます。

マグネシオサーマル反応の場合、粒度の低い化学量論的炭化物が直接得られますが、最大 2% のグラファイトを含む不純物が含まれています。共有結合した無機化合物であるため、炭化ホウ素は熱と圧力を同時に加えないと焼結が困難です。このため、炭化ホウ素は、真空または不活性雰囲気で高温（2100〜2200°C）で細かく純粋な粉末（2 m）をホットプレスすることにより、高密度の形状にすることがよくあります。

炭化ホウ素を製造する別の方法は、炭化ホウ素の融点に近い非常に高い温度（2300～2400℃）での常圧焼結です。このプロセス中の高密度化に必要な温度を下げるために、アルミナ、Cr、Co、Ni、ガラスなどの焼結助剤が粉末混合物に追加されます。

炭化ホウ素セラミックスの応用

炭化ホウ素にはさまざまな用途があります。

炭化ホウ素はラッピングおよび研磨剤として使用されます。

粉末状の炭化ホウ素は、超硬質材料を処理する際の材料除去率が高い研磨剤およびラッピング剤としての使用に最適です。

炭化ホウ素は、セラミック ブラスト ノズルの製造に使用されます。

炭化ホウ素は耐摩耗性に非常に優れているため、焼結時のブラスト ノズルに最適な素材です。非常に硬い研磨ブラスト剤を使用した場合でもコランダムやシリコン カーバイドなどのブラスト パワーは変わらず、摩耗が最小限に抑えられ、ノズルの耐久性が向上します。

炭化ホウ素は防弾材料として使用されています。

炭化ホウ素は、装甲鋼や酸化アルミニウムに匹敵する弾道保護を提供しますが、はるかに軽量です。現代の軍用機器は、軽量であることに加えて、高度な硬度、圧縮強度、および高い弾性係数を特徴としています。炭化ホウ素は、この用途の他のすべての代替材料よりも優れています。

中性子吸収材には炭化ホウ素が使われています。

エンジニアリングにおいて、最も重要な中性子吸収体は B10 であり、原子炉制御で炭化ホウ素として使用されます。

ホウ素の原子構造により、効果的な中性子吸収体になります。特に、自然存在量の約 20% で存在する 10B 同位体は、高い核断面積を持ち、ウランの核分裂反応によって生成される熱中性子を捕捉することができます。

中性子吸収用の核グレードの炭化ホウ素ディスク