Boro karbidas (B4C) yra patvari keramika, sudaryta iš boro ir anglies. Boro karbidas yra viena iš kiečiausių žinomų medžiagų, užimanti trečią vietą po kubinio boro nitrido ir deimantų. Tai kovalentinė medžiaga, naudojama įvairioms svarbioms reikmėms, įskaitant tankų šarvus, neperšaunamas liemenes ir variklio sabotažo miltelius. Tiesą sakant, tai yra tinkamiausia medžiaga įvairiems pramoniniams tikslams. Šiame straipsnyje pateikiama boro karbido ir jo pranašumų santrauka.
Kas tiksliai yra boro karbidas?
Boro karbidas yra labai svarbus cheminis junginys, kurio kristalinė struktūra būdinga ikosaedriniams boridams. Junginys buvo atrastas XIX amžiuje kaip metalo borido reakcijų šalutinis produktas. Jo cheminė formulė nebuvo žinoma iki XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio, kai buvo apskaičiuota, kad jo cheminė sudėtis yra B4C. Medžiagos rentgeno kristalografija rodo, kad ji turi labai sudėtingą struktūrą, kurią sudaro ir C-B-C grandinės, ir B12 ikosaedrai.
Boro karbidas pasižymi itin dideliu kietumu (9,5–9,75 pagal Moso skalę), atsparumu jonizuojančiai spinduliuotei, atsparumu cheminėms reakcijoms ir puikiomis neutronų ekranavimo savybėmis. Boro karbido Vickerso kietumas, tamprumo modulis ir atsparumas plyšimui yra beveik tokie patys kaip deimantų.
Dėl ypatingo kietumo boro karbidas taip pat vadinamas „juoduoju deimantu“. Taip pat buvo įrodyta, kad jis turi puslaidininkių savybių, o jo elektroninėse savybėse dominuoja šokinėjimo tipo transportas. Tai p tipo puslaidininkis. Dėl savo ypatingo kietumo jis laikomas atsparia dilimui technine keramika, todėl tinka apdirbti kitas itin kietas medžiagas. Be gerų mechaninių savybių ir mažo savitojo svorio, jis idealiai tinka lengviems šarvams gaminti.
Boro karbido keramikos gamyba
Boro karbido milteliai komerciniais tikslais gaminami lydymosi būdu (kuris apima boro anhidrido (B2O3) redukavimą anglimi) arba magnezioterminę reakciją (kurios metu boro anhidridas reaguoja su magniu, kai yra suodžių). Pirmosios reakcijos metu produktas lydyklos centre sudaro nemažą kiaušinio formos gabalėlį. Ši kiaušinio formos medžiaga ekstrahuojama, susmulkinama ir sumalama iki tinkamo grūdelių dydžio galutiniam naudojimui.
Magnezioterminės reakcijos atveju stechiometrinis karbidas su mažu granuliuotu gaunamas tiesiogiai, tačiau jame yra priemaišų, įskaitant iki 2 % grafito. Kadangi tai kovalentiniu ryšiu sujungtas neorganinis junginys, boro karbidą sunku sukepinti tuo pačiu metu nenaudojant šilumos ir slėgio. Dėl šios priežasties boro karbidas dažnai formuojamas tankiomis formomis karštai spaudžiant smulkius, grynus miltelius (2 m) aukštoje temperatūroje (2100–2200 °C) vakuume arba inertinėje atmosferoje.
Kitas boro karbido gamybos būdas yra beslėgis sukepinimas labai aukštoje temperatūroje (2300–2400 °C), kuri yra artima boro karbido lydymosi temperatūrai. Siekiant sumažinti temperatūrą, reikalingą tankinimui šio proceso metu, į miltelių mišinį pridedama sukepinimo pagalbinių medžiagų, tokių kaip aliuminio oksidas, Cr, Co, Ni ir stiklas.
Boro karbido keramikos taikymas
Boro karbidas turi daug skirtingų pritaikymų.
Boro karbidas naudojamas kaip šlifavimo ir abrazyvinė priemonė.
Boro karbidas miltelių pavidalu idealiai tinka naudoti kaip abrazyvinė ir klijuojanti medžiaga, kuri greitai pašalina medžiagą apdorojant itin kietas medžiagas.
Boro karbidas naudojamas keraminiams pūtimo purkštukams gaminti.
Boro karbidas yra ypač atsparus nusidėvėjimui, todėl yra puiki medžiaga sukepintų purkštukų pūtimui. Net kai naudojamas su ypač kietomis abrazyvinėmis valymo priemonėmispavyzdžiui, korundas ir silicio karbidas, sprogdinimo galia išlieka tokia pati, minimalus susidėvėjimas, o purkštukai yra patvaresni.
Boro karbidas naudojamas kaip balistinės apsaugos medžiaga.
Boro karbidas užtikrina panašią balistinę apsaugą kaip ir šarvuotas plienas ir aliuminio oksidas, tačiau yra daug mažesnio svorio. Šiuolaikinė karinė įranga, be mažo svorio, pasižymi dideliu kietumu, gniuždymo stipriu ir dideliu elastingumo moduliu. Boro karbidas yra pranašesnis už visas kitas alternatyvias šios programos medžiagas.
Boro karbidas naudojamas kaip neutronų absorberis.
Inžinerijoje svarbiausias neutronų absorberis yra B10, naudojamas kaip boro karbidas valdant branduolinį reaktorių.
Dėl boro atominės struktūros jis yra veiksmingas neutronų sugėriklis. Visų pirma, izotopas 10B, kurio natūralaus gausumo sudaro apie 20 %, turi didelį branduolinį skerspjūvį ir gali užfiksuoti šiluminius neutronus, susidarančius vykstant urano dalijimosi reakcijai.
Branduolinės klasės boro karbido diskas, skirtas neutronų absorbcijai
