Borov karbid (B4C) je trpežna keramika, sestavljena iz bora in ogljika. Borov karbid je ena najtrših znanih snovi in je na tretjem mestu za kubičnim borovim nitridom in diamantom. To je kovalentni material, ki se uporablja v različnih ključnih aplikacijah, vključno z oklepi za tanke, neprebojnimi jopiči in smodniki za sabotaže motorjev. Pravzaprav je najprimernejši material za različne industrijske aplikacije. Ta članek ponuja povzetek borovega karbida in njegovih prednosti.
Kaj pravzaprav je borov karbid?
Borov karbid je ključna kemična spojina s kristalno strukturo, značilno za boride na osnovi ikozaedrov. Spojina je bila odkrita v devetnajstem stoletju kot stranski produkt reakcij kovinskega borida. Do leta 1930 ni bilo znano, da ima kemijsko formulo, ko je bila njegova kemična sestava ocenjena na B4C. Rentgenska kristalografija snovi kaže, da ima zelo zapleteno strukturo, sestavljeno iz verig C-B-C in ikozaedrov B12.
Borov karbid ima izjemno trdoto (9,5–9,75 po Mohsovi lestvici), stabilnost pred ionizirajočim sevanjem, odpornost na kemične reakcije in odlične lastnosti zaščite pred nevtroni. Trdota po Vickersu, modul elastičnosti in lomna žilavost borovega karbida so skoraj enaki kot pri diamantu.
Zaradi svoje izjemne trdote se borov karbid imenovan tudi "črni diamant". Izkazalo se je tudi, da ima polprevodniške lastnosti, pri čemer v njegovih elektronskih lastnostih prevladuje skakalni transport. Je polprevodnik tipa p. Zaradi svoje izjemne trdote velja za obrabno odporen material tehnične keramike, zato je primeren tudi za obdelavo drugih izjemno trdih snovi. Poleg dobrih mehanskih lastnosti in nizke specifične teže je idealen za izdelavo lahkih oklepov.
Proizvodnja keramike iz borovega karbida
Borov karbid v prahu se komercialno proizvaja bodisi s fuzijo (ki vključuje redukcijo borovega anhidrida (B2O3) z ogljikom) bodisi z magnezijevotermično reakcijo (ki vključuje povzročanje, da borov anhidrid reagira z magnezijem v prisotnosti saj). Pri prvi reakciji produkt tvori veliko jajčasto kepo v središču talilnika. Ta jajčasti material se ekstrahira, zdrobi in nato zmelje do ustrezne velikosti zrn za končno uporabo.
V primeru magnezijotermne reakcije neposredno dobimo stehiometrični karbid z nizko zrnatostjo, ki pa vsebuje nečistoče, vključno z do 2 % grafita. Ker je kovalentno vezana anorganska spojina, je borov karbid težko sintrati brez hkratne uporabe toplote in pritiska. Zaradi tega se borov karbid pogosto oblikuje v goste oblike z vročim stiskanjem finih, čistih praškov (2 m) pri visokih temperaturah (2100–2200 °C) v vakuumu ali inertni atmosferi.
Druga metoda za proizvodnjo borovega karbida je breztlačno sintranje pri zelo visoki temperaturi (2300–2400 °C), ki je blizu tališča borovega karbida. Da bi zmanjšali temperaturo, potrebno za zgoščevanje med tem postopkom, se mešanici prahu dodajo pripomočki za sintranje, kot so aluminijev oksid, Cr, Co, Ni in steklo.
Uporaba keramike iz borovega karbida
Borov karbid ima veliko različnih aplikacij.
Borov karbid se uporablja kot lepljivo in abrazivno sredstvo.
Borov karbid v obliki prahu je idealen za uporabo kot abraziv in sredstvo za lepljenje z visoko stopnjo odstranjevanja materiala pri obdelavi ultra trdih materialov.
Borov karbid se uporablja za izdelavo keramičnih peskalnih šob.
Borov karbid je izjemno odporen proti obrabi, zaradi česar je odličen material za peskalne šobe, ko je sintran. Tudi pri uporabi z izjemno trdimi abrazivnimi sredstvi za peskanjekot sta korund in silicijev karbid, ostane moč peskanja enaka, obraba je minimalna, šobe pa so bolj vzdržljive.
Borov karbid se uporablja kot material za balistično zaščito.
Borov karbid zagotavlja primerljivo balistično zaščito kot oklepno jeklo in aluminijev oksid, vendar pri veliko nižji teži. Za sodobno vojaško opremo je poleg majhne teže značilna visoka stopnja trdote, tlačna trdnost in visok modul elastičnosti. Borov karbid je boljši od vseh drugih alternativnih materialov za to uporabo.
Borov karbid se uporablja kot absorber nevtronov.
V tehniki je najpomembnejši absorber nevtronov B10, ki se uporablja kot borov karbid pri krmiljenju jedrskih reaktorjev.
Zaradi atomske strukture bor je učinkovit absorber nevtronov. Zlasti izotop 10B, ki je prisoten v približno 20 % svojega naravnega številčnosti, ima velik jedrski prerez in lahko zajame toplotne nevtrone, ki nastanejo pri cepitveni reakciji urana.
Disk iz borovega karbida jedrske kakovosti za absorpcijo nevtronov