Karbid bóru (B4C) je odolná keramika zložená z bóru a uhlíka. Karbid bóru je jednou z najtvrdších známych látok a je na treťom mieste za kubickým nitridom bóru a diamantom. Je to kovalentný materiál využívaný v rôznych kľúčových aplikáciách, vrátane pancierovania tankov, nepriestrelných viest a práškov sabotážnych motorov. V skutočnosti je to preferovaný materiál pre rôzne priemyselné aplikácie. Tento článok poskytuje súhrn karbidu bóru a jeho výhod.
Čo presne je karbid bóru?
Karbid bóru je kľúčová chemická zlúčenina s kryštálovou štruktúrou typickou pre ikozaedrické boridy. Táto zlúčenina bola objavená v devätnástom storočí ako vedľajší produkt reakcií boridov kovov. To, že má chemický vzorec, nebolo známe až do 30. rokov 20. storočia, kedy sa jeho chemické zloženie odhadovalo na B4C. Röntgenová kryštalografia látky ukazuje, že má veľmi komplikovanú štruktúru, ktorú tvoria reťazce C-B-C a dvadsaťsteny B12.
Karbid bóru má extrémnu tvrdosť (9,5–9,75 na Mohsovej stupnici), stabilitu voči ionizujúcemu žiareniu, odolnosť voči chemickým reakciám a vynikajúce vlastnosti tienenia neutrónov. Tvrdosť, modul pružnosti a lomová húževnatosť karbidu bóru podľa Vickersa sú takmer rovnaké ako u diamantu.
Pre svoju extrémnu tvrdosť sa karbid bóru tiež označuje ako „čierny diamant“. Ukázalo sa tiež, že má polovodičové vlastnosti, pričom v jeho elektronických vlastnostiach dominuje transport typu skoku. Je to polovodič typu p. Pre svoju extrémnu tvrdosť sa považuje za technickú keramiku odolnú voči opotrebovaniu, vďaka čomu je vhodná na spracovanie iných extrémne tvrdých látok. Okrem dobrých mechanických vlastností a nízkej špecifickej hmotnosti je ideálny na výrobu ľahkého brnenia.
Výroba keramiky z karbidu bóru
Prášok karbidu bóru sa komerčne vyrába buď fúziou (ktorá zahŕňa redukciu anhydridu bóru (B2O3) uhlíkom) alebo magneziotermickou reakciou (ktorá zahŕňa reakciu anhydridu bóru s horčíkom v prítomnosti sadzí). V prvej reakcii produkt vytvorí v strede taviacej pece veľkú vajcovitú hrudku. Tento vajcovitý materiál sa extrahuje, drví a potom sa melie na vhodnú veľkosť zŕn na konečné použitie.
V prípade magneziotermickej reakcie sa priamo získa stechiometrický karbid s nízkou zrnitosťou, ktorý však obsahuje nečistoty vrátane až 2 % grafitu. Keďže ide o kovalentne viazanú anorganickú zlúčeninu, karbid bóru sa ťažko speká bez súčasného pôsobenia tepla a tlaku. Z tohto dôvodu sa karbid bóru často vyrába do hustých tvarov lisovaním jemných, čistých práškov (2 m) za tepla pri vysokých teplotách (2100 – 2200 °C) vo vákuu alebo v inertnej atmosfére.
Ďalšou metódou výroby karbidu bóru je beztlakové spekanie pri veľmi vysokej teplote (2300 – 2400 °C), ktorá je blízka teplote topenia karbidu bóru. Na zníženie teploty potrebnej na zahusťovanie počas tohto procesu sa do práškovej zmesi pridávajú spekacie prísady ako oxid hlinitý, Cr, Co, Ni a sklo.
Aplikácie keramiky karbidu bóru
Karbid bóru má mnoho rôznych aplikácií.
Karbid bóru sa používa ako lapovacie a brúsne činidlo.
Karbid bóru v práškovej forme je ideálne vhodný na použitie ako brúsne a lapovacie činidlo s vysokou rýchlosťou úberu materiálu pri spracovaní ultratvrdých materiálov.
Karbid bóru sa používa na výrobu keramických tryskacích trysiek.
Karbid bóru je mimoriadne odolný voči opotrebovaniu, vďaka čomu je vynikajúcim materiálom pre tryskacie trysky pri spekaní. Aj pri použití s extrémne tvrdými abrazívnymi tryskacími prostriedkamiako je korund a karbid kremíka, sila tryskania zostáva rovnaká, dochádza k minimálnemu opotrebovaniu a dýzy sú odolnejšie.
Karbid bóru sa používa ako balistický ochranný materiál.
Karbid bóru poskytuje balistickú ochranu porovnateľnú s pancierovou oceľou a oxidom hlinitým, no pri oveľa nižšej hmotnosti. Moderná vojenská technika sa okrem nízkej hmotnosti vyznačuje vysokým stupňom tvrdosti, pevnosti v tlaku a vysokým modulom pružnosti. Karbid bóru je pre túto aplikáciu lepší ako všetky ostatné alternatívne materiály.
Karbid bóru sa používa ako absorbér neutrónov.
V strojárstve je najdôležitejším absorbérom neutrónov B10, ktorý sa používa ako karbid bóru pri riadení jadrových reaktorov.
Atómová štruktúra bóru z neho robí účinný absorbér neutrónov. Najmä izotop 10B, prítomný v približne 20 % svojho prirodzeného zastúpenia, má veľký jadrový prierez a dokáže zachytiť tepelné neutróny, ktoré vznikajú pri štiepnej reakcii uránu.
Disk z karbidu bóru jadrovej kvality na absorpciu neutrónov
