Boron Carbide (B4C) är en hållbar keramik som består av bor och kol. Borkarbid är ett av de hårdaste ämnena som är kända, och ligger på tredje plats efter kubisk bornitrid och diamant. Det är ett kovalent material som används i en mängd viktiga applikationer, inklusive pansarpansar, skottsäkra västar och motorsabotagepulver. Faktum är att det är det föredragna materialet för en mängd olika industriella tillämpningar. Den här artikeln ger en sammanfattning av borkarbid och dess fördelar.

Vad är egentligen borkarbid?

Borkarbid är en viktig kemisk förening med en kristallstruktur som är typisk för icosaedriska borider. Föreningen upptäcktes på artonhundratalet som en biprodukt av metallboridreaktioner. Det var inte känt att det hade en kemisk formel förrän på 1930-talet, då dess kemiska sammansättning beräknades vara B4C. Röntgenkristallografin av ämnet visar att det har en mycket komplicerad struktur som består av både C-B-C-kedjor och B12-ikosaedrar.

Borkarbid har extrem hårdhet (9,5–9,75 på Mohs-skalan), stabilitet mot joniserande strålning, motståndskraft mot kemiska reaktioner och utmärkta neutronavskärmande egenskaper. Vickers hårdhet, elasticitetsmodulen och brottsegheten för borkarbid är nästan desamma som för diamant.

På grund av sin extrema hårdhet kallas borkarbid även för "svart diamant". Det har också visat sig ha halvledande egenskaper, där transport av hopptyp dominerar dess elektroniska egenskaper. Det är en halvledare av p-typ. På grund av sin extrema hårdhet anses det vara ett slitstarkt tekniskt keramiskt material, vilket gör det lämpligt för bearbetning av andra extremt hårda ämnen. Förutom sina goda mekaniska egenskaper och låga specifika vikt är den idealisk för att göra lättviktsrustning.

Tillverkning av borkarbidkeramik

Borkarbidpulver framställs kommersiellt antingen genom sammansmältning (vilket innebär reduktion av boranhydrid (B2O3) med kol) eller magnesioterma reaktioner (vilket innebär att boranhydrid reagerar med magnesium i närvaro av kolsvart). I den första reaktionen bildar produkten en ansenlig äggformad klump i mitten av smältverket. Detta äggformade material extraheras, krossas och mals sedan till lämplig kornstorlek för slutlig användning.

När det gäller den magnesioterma reaktionen erhålls stökiometrisk karbid med låg granularitet direkt, men den har föroreningar, inklusive upp till 2 % grafit. Eftersom det är en kovalent bunden oorganisk förening är borkarbid svår att sintra utan att applicera värme och tryck samtidigt. På grund av detta görs borkarbid ofta till täta former genom att varmpressa fina, rena pulver (2 m) vid höga temperaturer (2100–2200 °C) i vakuum eller inert atmosfär.

En annan metod för att producera borkarbid är trycklös sintring vid en mycket hög temperatur (2300–2400 °C), som är nära smältpunkten för borkarbid. För att hjälpa till att minska temperaturen som krävs för förtätning under denna process, tillsätts sintringshjälpmedel som aluminiumoxid, Cr, Co, Ni och glas till pulverblandningen.

Tillämpningar av borkarbidkeramik

Boron Carbide har många olika applikationer.

Borkarbid används som lapp- och slipmedel.

Borkarbid i pulverform är idealiskt lämpad för användning som ett slipmedel och överlappningsmedel med en hög grad av materialavlägsnande vid bearbetning av ultrahårda material.

Borkarbid används för att tillverka keramiska blästermunstycken.

Borkarbid är extremt motståndskraftig mot slitage, vilket gör det till ett utmärkt material för blästring av munstycken när de är sintrade. Även när den används med extremt hårda slipmedelsom korund och kiselkarbid, blästringskraften förblir densamma, det är minimalt slitage och munstyckena är mer hållbara.

Borkarbid används som ballistiskt skyddsmaterial.

Borkarbid ger jämförbart ballistiskt skydd som pansarstål och aluminiumoxid men med en mycket lägre vikt. Modern militär utrustning kännetecknas av hög hårdhetsgrad, tryckhållfasthet och hög elasticitetsmodul, förutom låg vikt. Borkarbid är överlägset alla andra alternativa material för denna applikation.

Borkarbid används som neutronabsorbator.

Inom tekniken är den viktigaste neutronabsorbatorn B10, som används som borkarbid vid kärnreaktorkontroll.

Borets atomära struktur gör det till en effektiv neutronabsorbator. I synnerhet 10B-isotopen, som finns i cirka 20 % av dess naturliga överflöd, har ett högt kärntvärsnitt och kan fånga de termiska neutroner som genereras av klyvningsreaktionen av uran.

Kärnkarbidskiva av borkarbid för neutronabsorption