Węglik boru (B4C) to trwała ceramika złożona z boru i węgla. Węglik boru to jedna z najtwardszych znanych substancji, zajmująca trzecie miejsce za sześciennym azotkiem boru i diamentem. Jest to materiał kowalencyjny wykorzystywany w wielu kluczowych zastosowaniach, w tym w pancerzach czołgów, kamizelkach kuloodpornych i proszkach do sabotażu silników. W rzeczywistości jest to preferowany materiał do różnych zastosowań przemysłowych. Ten artykuł zawiera podsumowanie węglika boru i jego zalet.

Czym dokładnie jest węglik boru?

Węglik boru jest kluczowym związkiem chemicznym o strukturze krystalicznej typowej dla dwudziestościennych borków. Związek ten został odkryty w XIX wieku jako produkt uboczny reakcji borków metali. Nie było wiadomo, że ma wzór chemiczny aż do lat trzydziestych XX wieku, kiedy to jego skład chemiczny oszacowano na B4C. Krystalografia rentgenowska substancji pokazuje, że ma ona bardzo skomplikowaną strukturę złożoną zarówno z łańcuchów C-B-C, jak i dwudziestościanów B12.

Węglik boru ma ekstremalną twardość (9,5–9,75 w skali Mohsa), odporność na promieniowanie jonizujące, odporność na reakcje chemiczne i doskonałe właściwości ekranowania neutronów. Twardość Vickersa, moduł sprężystości i odporność na pękanie węglika boru są prawie takie same jak diamentu.

Ze względu na swoją wyjątkową twardość węglik boru jest również nazywany „czarnym diamentem”. Wykazano również, że ma właściwości półprzewodnikowe, a jego właściwości elektroniczne dominuje w transporcie typu hopping. Jest to półprzewodnik typu p. Ze względu na swoją wyjątkową twardość jest uważany za odporny na ścieranie techniczny materiał ceramiczny, dzięki czemu nadaje się do obróbki innych niezwykle twardych substancji. Oprócz dobrych właściwości mechanicznych i niskiego ciężaru właściwego, idealnie nadaje się do wykonywania lekkich zbroi.

Produkcja ceramiki z węglika boru

Sproszkowany węglik boru jest komercyjnie produkowany poprzez stapianie (obejmujące redukcję bezwodnika boru (B2O3) węglem) lub reakcję magnezotermiczną (która obejmuje reakcję bezwodnika boru z magnezem w obecności sadzy). W pierwszej reakcji produkt tworzy dużą grudkę w kształcie jajka w środku pieca do wytapiania. Ten jajowaty materiał jest ekstrahowany, kruszony, a następnie mielony do odpowiedniej wielkości ziarna do końcowego wykorzystania.

W przypadku reakcji magnezotermicznej otrzymuje się bezpośrednio stechiometryczny Węglik o małej ziarnistości, ale posiada on zanieczyszczenia, w tym do 2% grafitu. Ponieważ jest to kowalencyjnie związany związek nieorganiczny, węglik boru jest trudny do spiekania bez jednoczesnego stosowania ciepła i ciśnienia. Z tego powodu węglik boru jest często formowany w gęste kształty przez prasowanie na gorąco drobnych, czystych proszków (2 m) w wysokich temperaturach (2100–2200 °C) w próżni lub atmosferze obojętnej.

Inną metodą produkcji węglika boru jest bezciśnieniowe spiekanie w bardzo wysokiej temperaturze (2300–2400 °C), zbliżonej do temperatury topnienia węglika boru. Aby pomóc obniżyć temperaturę wymaganą do zagęszczania podczas tego procesu, do mieszanki proszkowej dodaje się środki wspomagające spiekanie, takie jak tlenek glinu, Cr, Co, Ni i szkło.

Zastosowania ceramiki z węglika boru

Węglik boru ma wiele różnych zastosowań.

Węglik boru jest stosowany jako środek docierający i ścierny.

Węglik boru w postaci proszku idealnie nadaje się do stosowania jako środek ścierny i docierający o dużej szybkości usuwania materiału podczas obróbki ultratwardych materiałów.

Węglik boru jest używany do produkcji ceramicznych dysz do piaskowania.

Węglik boru jest wyjątkowo odporny na zużycie, dzięki czemu po spiekaniu jest doskonałym materiałem do dysz do piaskowania. Nawet przy użyciu bardzo twardych środków ściernychtakich jak korund i węglik krzemu, moc strumieniowania pozostaje taka sama, zużycie jest minimalne, a dysze są trwalsze.

Węglik boru jest używany jako materiał ochrony balistycznej.

Węglik boru zapewnia porównywalną ochronę balistyczną do stali pancernej i tlenku glinu, ale przy znacznie mniejszej wadze. Współczesny sprzęt wojskowy charakteryzuje się dużą twardością, wytrzymałością na ściskanie, wysokim modułem sprężystości, a także niską wagą. Węglik boru jest lepszy od wszystkich innych alternatywnych materiałów do tego zastosowania.

Węglik boru jest używany jako pochłaniacz neutronów.

W inżynierii najważniejszym pochłaniaczem neutronów jest B10, używany jako węglik boru w sterowaniu reaktorami jądrowymi.

Struktura atomowa boru sprawia, że ​​jest on skutecznym pochłaniaczem neutronów. W szczególności izotop 10B, obecny w około 20% jego naturalnej liczebności, ma duży przekrój poprzeczny jądra i może wychwytywać neutrony termiczne generowane w reakcji rozszczepienia uranu.

Dysk z węglika boru klasy jądrowej do absorpcji neutronów