Bora karbīds (B4C) ir izturīga keramika, kas sastāv no bora un oglekļa. Bora karbīds ir viena no cietākajām zināmajām vielām, ieņemot trešo vietu aiz kubiskā bora nitrīda un dimanta. Tas ir kovalents materiāls, ko izmanto dažādos svarīgos lietojumos, tostarp tanku bruņās, ložu necaurlaidīgās vestēs un dzinēja sabotāžas pulveros. Faktiski tas ir vēlamais materiāls dažādiem rūpnieciskiem lietojumiem. Šajā rakstā ir sniegts kopsavilkums par bora karbīdu un tā priekšrocībām.

Kas īsti ir bora karbīds?

Bora karbīds ir ļoti svarīgs ķīmisks savienojums ar kristālisku struktūru, kas raksturīga borīdiem, kuru pamatā ir ikosaedrs. Savienojums tika atklāts deviņpadsmitajā gadsimtā kā metāla borīda reakciju blakusprodukts. Tā ķīmiskā formula nebija zināma līdz 20. gadsimta 30. gadiem, kad tika lēsts, ka tā ķīmiskais sastāvs ir B4C. Vielas rentgena kristalogrāfija liecina, ka tai ir ļoti sarežģīta struktūra, ko veido gan C-B-C ķēdes, gan B12 ikosaedri.

Bora karbīdam ir ārkārtēja cietība (9,5–9,75 pēc Mosa skalas), stabilitāte pret jonizējošo starojumu, izturība pret ķīmiskām reakcijām un lieliskas neitronu ekranēšanas īpašības. Bora karbīda Vikersa cietība, elastības modulis un lūzuma izturība ir gandrīz tāda pati kā dimantam.

Tā ārkārtējās cietības dēļ bora karbīds tiek saukts arī par "melno dimantu". Ir arī pierādīts, ka tam piemīt pusvadītāju īpašības, un tā elektroniskajās īpašībās dominē lēciena tipa transports. Tas ir p-veida pusvadītājs. Savas ārkārtējās cietības dēļ tas tiek uzskatīts par nodilumizturīgu tehnisko keramikas materiālu, tāpēc tas ir piemērots citu īpaši cietu vielu apstrādei. Papildus labajām mehāniskajām īpašībām un zemajam īpatnējam svaram tas ir ideāli piemērots vieglu bruņu izgatavošanai.

Bora karbīda keramikas ražošana

Bora karbīda pulveris tiek komerciāli ražots, izmantojot saplūšanu (kas ietver bora anhidrīda (B2O3) reducēšanu ar oglekli) vai magneziotermisku reakciju (kas ietver bora anhidrīda reakciju ar magniju melnā oglekļa klātbūtnē). Pirmajā reakcijā produkts kausēšanas iekārtas centrā veido lielu olu formas gabalu. Šo olu formas materiālu ekstrahē, sasmalcina un pēc tam sasmalcina līdz atbilstošajam graudu izmēram gala lietošanai.

Magneziotermiskās reakcijas gadījumā tiek iegūts tieši stehiometriskais karbīds ar zemu granularitāti, taču tajā ir piemaisījumi, tostarp līdz 2% grafīta. Tā kā bora karbīds ir kovalenti saistīts neorganisks savienojums, to ir grūti saķepināt, vienlaikus neizmantojot karstumu un spiedienu. Tādēļ bora karbīdu bieži veido blīvas formas, karsti presējot smalkus, tīrus pulverus (2 m) augstā temperatūrā (2100–2200 °C) vakuumā vai inertā atmosfērā.

Vēl viena bora karbīda ražošanas metode ir bezspiediena saķepināšana ļoti augstā temperatūrā (2300–2400 °C), kas ir tuvu bora karbīda kušanas temperatūrai. Lai palīdzētu samazināt temperatūru, kas nepieciešama blīvēšanai šī procesa laikā, pulvera maisījumam pievieno saķepināšanas palīglīdzekļus, piemēram, alumīnija oksīdu, Cr, Co, Ni un stiklu.

Bora karbīda keramikas pielietojumi

Bora karbīdam ir daudz dažādu pielietojumu.

Bora karbīdu izmanto kā pārklāšanas un abrazīvu līdzekli.

Bora karbīds pulvera veidā ir ideāli piemērots lietošanai kā abrazīvs un pārklājošs līdzeklis ar augstu materiāla noņemšanas ātrumu, apstrādājot īpaši cietus materiālus.

Bora karbīdu izmanto, lai ražotu keramikas sprauslas.

Bora karbīds ir ārkārtīgi izturīgs pret nodilumu, tāpēc tas ir lielisks materiāls sprauslu apstrādei saķepināšanas laikā. Pat tad, ja to lieto kopā ar īpaši cietiem abrazīviem spridzināšanas līdzekļiempiemēram, korunds un silīcija karbīds, spridzināšanas jauda paliek nemainīga, ir minimāls nodilums, un sprauslas ir izturīgākas.

Bora karbīds tiek izmantots kā ballistiskās aizsardzības materiāls.

Bora karbīds nodrošina līdzīgu aizsardzību pret ballistisko aizsardzību kā bruņu tērauds un alumīnija oksīds, taču ar daudz mazāku svaru. Mūsdienu militārajam aprīkojumam papildus nelielajam svaram ir raksturīga augsta cietības pakāpe, spiedes izturība un augsts elastības modulis. Bora karbīds ir pārāks par visiem citiem alternatīvajiem materiāliem šim lietojumam.

Bora karbīdu izmanto kā neitronu absorbētāju.

Inženierzinātnēs vissvarīgākais neitronu absorbētājs ir B10, ko izmanto kā bora karbīdu kodolreaktora kontrolē.

Bora atomu struktūra padara to par efektīvu neitronu absorbētāju. Jo īpaši izotopam 10B, kas ir aptuveni 20% no tā dabiskā daudzuma, ir augsts kodola šķērsgriezums, un tas var uztvert termiskos neitronus, kas rodas urāna skaldīšanas reakcijā.

Kodolgradu bora karbīda disks neitronu absorbcijai