Boorcarbide (B4C) is een duurzaam keramiek dat is samengesteld uit boor en koolstof. Boorcarbide is een van de hardste stoffen die bekend is en staat op de derde plaats na kubisch boornitride en diamant. Het is een covalent materiaal dat wordt gebruikt in een verscheidenheid aan cruciale toepassingen, waaronder tankpantser, kogelvrije vesten en motorsabotagepoeder. In feite is het het voorkeursmateriaal voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen. Dit artikel geeft een samenvatting van boorcarbide en de voordelen ervan.
Wat is boorcarbide precies?
Boorcarbide is een cruciale chemische verbinding met een kristalstructuur die typerend is voor op icosahedraal gebaseerde boriden. De verbinding werd in de negentiende eeuw ontdekt als bijproduct van metaalboridereacties. Het was pas in de jaren dertig bekend dat het een chemische formule had, toen de chemische samenstelling werd geschat op B4C. De röntgenkristallografie van de stof laat zien dat het een zeer gecompliceerde structuur heeft die bestaat uit zowel C-B-C-ketens als B12 icosahedra.
Boorcarbide bezit extreme hardheid (9,5-9,75 op de schaal van Mohs), stabiliteit tegen ioniserende straling, weerstand tegen chemische reacties en uitstekende neutronenafschermingseigenschappen. De Vickers-hardheid, de elasticiteitsmodulus en de breuktaaiheid van boorcarbide zijn bijna hetzelfde als die van diamant.
Vanwege zijn extreme hardheid wordt boorcarbide ook wel "zwarte diamant" genoemd. Er is ook aangetoond dat het halfgeleidende eigenschappen bezit, waarbij transport van het hopping-type de elektronische eigenschappen domineert. Het is een p-type halfgeleider. Vanwege zijn extreme hardheid wordt het beschouwd als een slijtvast technisch keramisch materiaal, waardoor het geschikt is voor het verwerken van andere extreem harde stoffen. Naast de goede mechanische eigenschappen en het lage soortelijk gewicht is het ideaal voor het maken van lichtgewicht bepantsering.
Productie van boorcarbide keramiek
Boorcarbidepoeder wordt commercieel geproduceerd door ofwel fusie (waarbij boorzuuranhydride (B2O3) met koolstof wordt gereduceerd) of magnesiothermische reactie (waarbij boorzuuranhydride reageert met magnesium in aanwezigheid van roet). In de eerste reactie vormt het product een flinke eivormige klomp in het midden van de smelter. Dit eivormige materiaal wordt geëxtraheerd, geplet en vervolgens gemalen tot de juiste korrelgrootte voor uiteindelijk gebruik.
In het geval van de magnesiothermische reactie wordt direct stoichiometrisch carbide met lage granulariteit verkregen, maar het heeft onzuiverheden, waaronder tot 2% grafiet. Omdat het een covalent gebonden anorganische verbinding is, is boorcarbide moeilijk te sinteren zonder tegelijkertijd warmte en druk toe te passen. Daarom wordt boorcarbide vaak tot dichte vormen gemaakt door fijne, zuivere poeders (2 m) heet te persen bij hoge temperaturen (2100-2200 ° C) in een vacuüm of inerte atmosfeer.
Een andere methode voor het produceren van boorcarbide is drukloos sinteren bij een zeer hoge temperatuur (2300–2400 °C), die dicht bij het smeltpunt van boorcarbide ligt. Om de temperatuur die nodig is voor verdichting tijdens dit proces te helpen verlagen, worden sinterhulpmiddelen zoals aluminiumoxide, Cr, Co, Ni en glas aan het poedermengsel toegevoegd.
Toepassingen van boorcarbide keramiek
Boorcarbide heeft veel verschillende toepassingen.
Boorcarbide wordt gebruikt als lep- en schuurmiddel.
Boorcarbide in poedervorm is bij uitstek geschikt voor gebruik als schuur- en lepmiddel met een hoge mate van materiaalverwijdering bij het verwerken van ultraharde materialen.
Boorcarbide wordt gebruikt om keramische straalpijpen te maken.
Boorcarbide is extreem slijtvast, waardoor het een uitstekend materiaal is voor straalpijpen wanneer het gesinterd is. Zelfs bij gebruik met extreem harde straalmiddelenzoals korund en siliciumcarbide blijft de straalkracht gelijk, is er minimale slijtage en zijn de straalpijpen duurzamer.
Boorcarbide wordt gebruikt als ballistisch beschermingsmateriaal.
Boorcarbide biedt vergelijkbare ballistische bescherming als gepantserd staal en aluminiumoxide, maar met een veel lager gewicht. Moderne militaire uitrusting wordt gekenmerkt door een hoge mate van hardheid, druksterkte en een hoge elasticiteitsmodulus, naast een laag gewicht. Boorcarbide is superieur aan alle andere alternatieve materialen voor deze toepassing.
Boorcarbide wordt gebruikt als neutronenabsorbeerder.
In de techniek is de belangrijkste neutronenabsorbeerder B10, gebruikt als boorcarbide bij de controle van kernreactoren.
De atomaire structuur van boor maakt het een effectieve neutronenabsorbeerder. Met name de 10B-isotoop, aanwezig in ongeveer 20% van zijn natuurlijke overvloed, heeft een hoge nucleaire doorsnede en kan de thermische neutronen opvangen die worden gegenereerd door de splijtingsreactie van uranium.
Nucleaire kwaliteit boorcarbide schijf voor neutronenabsorptie
