Carbura de bor (B4C) este o ceramică durabilă compusă din bor și carbon. Carbura de bor este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute, ocupându-se pe locul al treilea în spatele nitrurului de bor cubic și al diamantului. Este un material covalent utilizat într-o varietate de aplicații cruciale, inclusiv armuri pentru tancuri, veste antiglonț și pulberi de sabotare a motorului. De fapt, este materialul preferat pentru o varietate de aplicații industriale. Acest articol oferă un rezumat al carburei de bor și al avantajelor sale.

Ce este exact carbura de bor?

Carbura de bor este un compus chimic crucial cu o structură cristalină tipică borurilor pe bază de icosaedrici. Compusul a fost descoperit în secolul al XIX-lea ca un produs secundar al reacțiilor cu boruri de metal. Nu se știa că are o formulă chimică până în anii 1930, când compoziția sa chimică a fost estimată a fi B4C. Cristalografia cu raze X a substanței arată că aceasta are o structură foarte complicată formată atât din lanțuri C-B-C, cât și din icosaedre B12.

Carbura de bor are o duritate extremă (9,5–9,75 pe scara Mohs), stabilitate împotriva radiațiilor ionizante, rezistență la reacții chimice și proprietăți excelente de ecranare a neutronilor. Duritatea Vickers, modulul elastic și duritatea la rupere a carburii de bor sunt aproape aceleași cu cele ale diamantului.

Datorită durității sale extreme, carbura de bor este denumită și „diamantul negru”. De asemenea, sa demonstrat că posedă proprietăți semiconductoare, transportul de tip salt dominând proprietățile sale electronice. Este un semiconductor de tip p. Datorită durității sale extreme, este considerat un material ceramic tehnic rezistent la uzură, ceea ce îl face potrivit pentru prelucrarea altor substanțe extrem de dure. Pe lângă proprietățile sale mecanice bune și greutatea specifică scăzută, este ideal pentru realizarea de armuri ușoare.

Producția de ceramică cu carbură de bor

Pulberea de carbură de bor este produsă comercial fie prin fuziune (care implică reducerea anhidridei de bor (B2O3) cu carbon) fie prin reacție magnezotermă (care implică reacția anhidridei de bor cu magneziul în prezența negrului de fum). În prima reacție, produsul formează un bulgăre considerabil în formă de ou în centrul topitorii. Acest material în formă de ou este extras, zdrobit și apoi măcinat la dimensiunea corespunzătoare a granulelor pentru utilizarea finală.

În cazul reacției magnezoterme, se obține direct Carbură stoechiometrică cu granularitate scăzută, dar are impurități, inclusiv până la 2% grafit. Deoarece este un compus anorganic legat covalent, carbura de bor este dificil de sinterizat fără a aplica căldură și presiune simultan. Din acest motiv, carbura de bor este adesea transformată în forme dense prin presare la cald a pulberilor fine și pure (2 m) la temperaturi ridicate (2100–2200 °C) într-o atmosferă vid sau inertă.

O altă metodă de producere a carburii de bor este sinterizarea fără presiune la o temperatură foarte ridicată (2300–2400 °C), care este aproape de punctul de topire al carburii de bor. Pentru a ajuta la reducerea temperaturii necesare pentru densificare în timpul acestui proces, la amestecul de pulbere se adaugă ajutoare de sinterizare precum alumina, Cr, Co, Ni și sticlă.

Aplicații ale ceramicii cu carbură de bor

Carbura de bor are multe aplicații diferite.

Carbura de bor este folosită ca agent de lepătură și abraziv.

Carbura de bor sub formă de pulbere este ideală pentru a fi utilizată ca agent abraziv și de lepare cu o rată mare de îndepărtare a materialului la prelucrarea materialelor ultra-dure.

Carbura de bor este folosită pentru fabricarea duzelor de sablare ceramică.

Carbura de bor este extrem de rezistentă la uzură, făcându-l un material excelent pentru sablare duzelor atunci când sunt sinterizate. Chiar și atunci când este utilizat cu agenți de sablare abrazivi extrem de durprecum corindonul și carbura de siliciu, puterea de sablare rămâne aceeași, există o uzură minimă, iar duzele sunt mai durabile.

Carbura de bor este folosită ca material de protecție balistică.

Carbura de bor oferă o protecție balistică comparabilă cu cea a oțelului blindat și a oxidului de aluminiu, dar la o greutate mult mai mică. Echipamentul militar modern se caracterizează printr-un grad ridicat de duritate, rezistență la compresiune și un modul ridicat de elasticitate, pe lângă greutatea redusă. Carbura de bor este superior tuturor celorlalte materiale alternative pentru această aplicație.

Carbura de bor este folosită ca absorbant de neutroni.

În inginerie, cel mai important absorbant de neutroni este B10, folosit ca carbură de bor în controlul reactorului nuclear.

Structura atomică a borului îl face un absorbant eficient de neutroni. În special, izotopul 10B, prezent în aproximativ 20% din abundența sa naturală, are o secțiune transversală nucleară mare și poate capta neutronii termici care sunt generați de reacția de fisiune a uraniului.

Disc de carbură de bor de calitate nucleară pentru absorbția neutronilor