Карбид бора (B4C) представляет собой прочную керамику, состоящую из бора и углерода. Карбид бора — одно из самых твердых известных веществ, занимающее третье место после кубического нитрида бора и алмаза. Это ковалентный материал, используемый в различных важных областях, включая танковую броню, пуленепробиваемые жилеты и порох для саботажа двигателей. Фактически, это предпочтительный материал для различных промышленных применений. В этой статье представлен краткий обзор карбида бора и его преимуществ.

Что такое карбид бора?

Карбид бора – важнейшее химическое соединение с кристаллической структурой, типичной для боридов на основе икосаэдра. Соединение было обнаружено в девятнадцатом веке как побочный продукт реакций боридов металлов. О его химической формуле не было известно до 1930-х годов, когда его химический состав был оценен как B4C. Рентгеновская кристаллография вещества показывает, что оно имеет очень сложную структуру, состоящую как из цепей C-B-C, так и из икосаэдров B12.

Карбид бора обладает чрезвычайной твердостью (9,5–9,75 по шкале Мооса), устойчивостью к ионизирующему излучению, устойчивостью к химическим реакциям и отличными нейтронозащитными свойствами. Твердость по Виккерсу, модуль упругости и вязкость разрушения карбида бора почти такие же, как у алмаза.

Карбид бора из-за его чрезвычайной твердости также называют «черным алмазом». Также было показано, что он обладает полупроводниковыми свойствами, при этом в его электронных свойствах преобладает перенос прыжкового типа. Это полупроводник р-типа. Из-за своей чрезвычайной твердости он считается износостойким техническим керамическим материалом, что делает его пригодным для обработки других чрезвычайно твердых материалов. Помимо хороших механических свойств и низкого удельного веса, он идеально подходит для изготовления легкой брони.

Производство боркарбидной керамики

Порошок карбида бора в промышленных масштабах производится либо сплавлением (которое включает восстановление борного ангидрида (B2O3) углеродом), либо магнезиотермической реакцией (которая включает реакцию борного ангидрида с магнием в присутствии сажи). В первой реакции продукт образует значительный яйцевидный комок в центре плавильной печи. Этот материал в форме яйца извлекается, измельчается, а затем измельчается до соответствующего размера зерна для конечного использования.

В случае магнезиотермической реакции непосредственно получается стехиометрический карбид с низкой зернистостью, но он имеет примеси, в том числе до 2% графита. Поскольку это ковалентно связанное неорганическое соединение, карбид бора трудно спекать без одновременного применения тепла и давления. Из-за этого карбиду бора часто придают плотные формы путем горячего прессования мелкодисперсных чистых порошков (2 мкм) при высоких температурах (2100–2200 ° C) в вакууме или инертной атмосфере.

Другим методом производства карбида бора является спекание без давления при очень высокой температуре (2300–2400 °C), близкой к температуре плавления карбида бора. Чтобы помочь снизить температуру, необходимую для уплотнения во время этого процесса, в порошковую смесь добавляют добавки для спекания, такие как оксид алюминия, Cr, Co, Ni и стекло.

Применение боркарбидной керамики

Карбид бора имеет множество различных применений.

Карбид бора используется в качестве притирочного и абразивного материала.

Карбид бора в виде порошка идеально подходит для использования в качестве абразива и притирочного материала с высокой скоростью удаления материала при обработке сверхтвердых материалов.

Карбид бора используется для изготовления керамических насадок для струйной обработки.

Карбид бора чрезвычайно устойчив к износу, что делает его отличным материалом для пескоструйной обработки сопел при спекании. Даже при использовании чрезвычайно твердых абразивных абразивных материалов.таких как корунд и карбид кремния, мощность струи остается прежней, износ минимальный, а сопла более прочные.

Карбид бора используется в качестве баллистического защитного материала.

Карбид бора обеспечивает баллистическую защиту, сравнимую с броневой сталью и оксидом алюминия, но при гораздо меньшем весе. Современная военная техника помимо малого веса характеризуется высокой степенью твердости, прочности на сжатие и высоким модулем упругости. Карбид бора превосходит все другие альтернативные материалы для этого применения.

Карбид бора используется в качестве поглотителя нейтронов.

В технике наиболее важным поглотителем нейтронов является B10, используемый в качестве карбида бора в управлении ядерными реакторами.

Атомная структура бора делает его эффективным поглотителем нейтронов. В частности, изотоп 10B, присутствующий примерно в 20 % от его естественного содержания, имеет большое ядерное поперечное сечение и может улавливать тепловые нейтроны, образующиеся в результате реакции деления урана.

Диск из карбида бора ядерного класса для поглощения нейтронов