โบรอนคาร์ไบด์ (B4C) เป็นเซรามิกที่ทนทานซึ่งประกอบด้วยโบรอนและคาร์บอน โบรอนคาร์ไบด์เป็นหนึ่งในสารที่มีความแข็งมากที่สุด ซึ่งอยู่ในอันดับที่สามรองจากลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์และเพชร เป็นวัสดุโควาเลนต์ที่ใช้ในงานสำคัญต่างๆ รวมถึงเกราะรถถัง เสื้อเกราะกันกระสุน และผงก่อวินาศกรรมเครื่องยนต์ ในความเป็นจริงมันเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย บทความนี้ให้ข้อมูลสรุปของโบรอนคาร์ไบด์และข้อดี

โบรอนคาร์ไบด์คืออะไรกันแน่?

โบรอนคาร์ไบด์เป็นสารประกอบทางเคมีที่สำคัญซึ่งมีโครงสร้างผลึกตามแบบฉบับของบอไรด์ที่มีไอโคซาฮีดรัล สารประกอบนี้ถูกค้นพบในศตวรรษที่ 19 โดยเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาโบไรด์ของโลหะ ไม่ทราบว่ามีสูตรทางเคมีจนกระทั่งช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อประมาณการองค์ประกอบทางเคมีว่าเป็น B4C เอกซ์เรย์ผลึกศาสตร์ของสารแสดงให้เห็นว่ามีโครงสร้างที่ซับซ้อนมากซึ่งประกอบขึ้นจากทั้งโซ่ C-B-C และ B12 icosahedra

โบรอนคาร์ไบด์มีความแข็งมาก (9.5–9.75 ในระดับ Mohs) ความเสถียรต่อรังสีไอออไนซ์ ความต้านทานต่อปฏิกิริยาเคมี และคุณสมบัติการป้องกันนิวตรอนที่ดีเยี่ยม ความแข็งของวิคเกอร์ โมดูลัสยืดหยุ่น และความเหนียวแตกหักของโบรอนคาร์ไบด์เกือบจะเหมือนกับของเพชร

เนื่องจากความแข็งสูงมาก โบรอนคาร์ไบด์จึงถูกเรียกว่า "เพชรดำ" นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่ามีคุณสมบัติเป็นเซมิคอนดักเตอร์ด้วยการขนส่งแบบกระโดดซึ่งมีอำนาจเหนือคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p เนื่องจากความแข็งสูงมาก จึงถือเป็นวัสดุเซรามิกทางเทคนิคที่ทนทานต่อการสึกหรอ จึงเหมาะสำหรับการประมวลผลสารที่มีความแข็งมากอื่นๆ นอกจากคุณสมบัติทางกลที่ดีและความถ่วงจำเพาะต่ำแล้ว ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างชุดเกราะที่มีน้ำหนักเบา

การผลิตเซรามิกโบรอนคาร์ไบด์

ผงโบรอนคาร์ไบด์ผลิตในเชิงพาณิชย์โดยการหลอมรวม (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการลดโบรอนแอนไฮไดรด์ (B2O3) ด้วยคาร์บอน) หรือปฏิกิริยาความร้อนแมกนีซิเทอร์มิก (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำให้โบรอนแอนไฮไดรด์ทำปฏิกิริยากับแมกนีเซียมเมื่อมีคาร์บอนแบล็ค) ในปฏิกิริยาแรก ผลิตภัณฑ์จะก่อตัวเป็นก้อนรูปไข่ขนาดใหญ่ตรงกลางเครื่องหลอม วัสดุรูปไข่นี้ถูกสกัด บด แล้วบดให้ได้ขนาดเมล็ดที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานขั้นสุดท้าย

ในกรณีของปฏิกิริยาความร้อนแมกนีซิโอเทอร์มิก จะได้รับคาร์ไบด์ปริมาณสโตอิชิโอเมตริกที่มีความละเอียดต่ำโดยตรง แต่มีสิ่งเจือปน รวมถึงกราไฟต์มากถึง 2% เนื่องจากเป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีพันธะโควาเลนต์ โบรอนคาร์ไบด์จึงยากต่อการเผาโดยไม่ใช้ความร้อนและความดันพร้อมกัน ด้วยเหตุนี้ โบรอนคาร์ไบด์จึงมักถูกทำให้เป็นรูปทรงที่หนาแน่นโดยการอัดผงละเอียดบริสุทธิ์แบบร้อน (2 ม.) ที่อุณหภูมิสูง (2100–2200 °C) ในสุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อย

อีกวิธีหนึ่งในการผลิตโบรอนคาร์ไบด์คือการเผาผนึกแบบไร้แรงดันที่อุณหภูมิสูงมาก (2300–2400 °C) ซึ่งใกล้กับจุดหลอมเหลวของโบรอนคาร์ไบด์ เพื่อช่วยลดอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการทำให้หนาแน่นในระหว่างขั้นตอนนี้ สารช่วยในการเผาผนึก เช่น อลูมินา, Cr, Co, Ni และแก้วจะถูกเพิ่มลงในผงผสม

การประยุกต์ใช้โบรอนคาร์ไบด์เซรามิกส์

โบรอนคาร์ไบด์มีการใช้งานที่แตกต่างกันมากมาย

โบรอนคาร์ไบด์ใช้เป็นสารขัดและสารกัดกร่อน

โบรอนคาร์ไบด์ในรูปแบบผงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นสารขัดถูและขัดด้วยอัตราการขจัดวัสดุสูงเมื่อแปรรูปวัสดุที่แข็งเป็นพิเศษ

โบรอนคาร์ไบด์ใช้ในการผลิตหัวพ่นเซรามิก

โบรอนคาร์ไบด์มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง ทำให้เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับหัวฉีดพ่นสีเมื่อเผาผนึก แม้เมื่อใช้กับสารกัดกร่อนที่มีความแข็งมากเช่นคอรันดัมและซิลิกอนคาร์ไบด์ พลังการระเบิดยังคงเท่าเดิม มีการสึกหรอน้อยที่สุด และหัวฉีดมีความทนทานมากขึ้น

โบรอนคาร์ไบด์ใช้เป็นวัสดุป้องกันขีปนาวุธ

โบรอนคาร์ไบด์ให้การป้องกันขีปนาวุธเทียบเท่ากับเหล็กหุ้มเกราะและอลูมิเนียมออกไซด์ แต่มีน้ำหนักน้อยกว่ามาก ยุทโธปกรณ์ทางทหารสมัยใหม่มีลักษณะความแข็ง แรงอัด และโมดูลัสยืดหยุ่นสูง นอกเหนือจากน้ำหนักที่ต่ำ โบรอนคาร์ไบด์เหนือกว่าวัสดุทางเลือกอื่นๆ สำหรับการใช้งานนี้

โบรอนคาร์ไบด์ใช้เป็นตัวดูดซับนิวตรอน

ในทางวิศวกรรม สารดูดซับนิวตรอนที่สำคัญที่สุดคือ B10 ซึ่งใช้เป็นโบรอนคาร์ไบด์ในการควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

โครงสร้างอะตอมของโบรอนทำให้เป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอโซโทป 10B ซึ่งมีอยู่ประมาณ 20% ของความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ มีหน้าตัดนิวเคลียสสูงและสามารถจับนิวตรอนความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันของยูเรเนียม

แผ่นคาร์ไบด์โบรอนเกรดนิวเคลียร์สำหรับการดูดซับนิวตรอน