Карбід бору (B4C) – це міцна кераміка, що складається з бору і вуглецю. Карбід бору — одна з найтвердіших відомих речовин, займаючи третє місце після кубічного нітриду бору та алмазу. Це ковалентний матеріал, який використовується в різноманітних важливих цілях, включаючи броню танків, бронежилети та диверсійні порошки для двигунів. Фактично, це кращий матеріал для різноманітних промислових застосувань. У цій статті наведено короткий виклад карбіду бору та його переваги.

Що таке карбід бору?

Карбід бору – це важлива хімічна сполука з кристалічною структурою, типовою для боридів на основі ікосаедра. Сполука була відкрита в дев'ятнадцятому столітті як побічний продукт реакції бориду металу. Його хімічна формула не була відома до 1930-х років, коли його хімічний склад був оцінений як B4C. Рентгенівська кристалографія речовини показує, що вона має дуже складну структуру, що складається як з ланцюгів C-B-C, так і з ікосаедрів B12.

Карбід бору має надзвичайну твердість (9,5–9,75 за шкалою Мооса), стійкість до іонізуючого випромінювання, стійкість до хімічних реакцій і чудові властивості екранування нейтронів. Твердість за Віккерсом, модуль пружності та в’язкість руйнування карбіду бору майже такі ж, як у алмазу.

Через свою надзвичайну твердість карбід бору також називають «чорним алмазом». Було також показано, що він має напівпровідникові властивості, причому стрибковий тип транспорту домінує в його електронних властивостях. Це напівпровідник p-типу. Завдяки своїй надзвичайній твердості він вважається зносостійким технічним керамічним матеріалом, що робить його придатним для обробки інших надзвичайно твердих речовин. На додаток до хороших механічних властивостей і низької питомої ваги, він ідеально підходить для виготовлення легкої броні.

Виробництво кераміки з карбіду бору

Порошок карбіду бору комерційно виробляють шляхом плавлення (що передбачає відновлення борного ангідриду (B2O3) вуглецем) або магнезіотермічної реакції (що передбачає реакцію борного ангідриду з магнієм у присутності сажі). Під час першої реакції продукт утворює велику грудку яйцеподібної форми в центрі плавильника. Цей яйцеподібний матеріал екстрагують, подрібнюють, а потім подрібнюють до відповідного розміру зерна для кінцевого використання.

У разі магнезіотермічної реакції безпосередньо виходить стехіометричний карбід з низькою зернистістю, але він містить домішки, включаючи до 2% графіту. Оскільки це неорганічна сполука з ковалентним зв’язком, карбід бору важко спікати без одночасного застосування тепла та тиску. Через це з карбіду бору часто виготовляють щільні форми шляхом гарячого пресування дрібних чистих порошків (2 мкм) при високих температурах (2100–2200 °C) у вакуумі чи інертній атмосфері.

Інший спосіб виробництва карбіду бору – спікання без тиску при дуже високій температурі (2300–2400 °C), яка близька до температури плавлення карбіду бору. Щоб знизити температуру, необхідну для ущільнення під час цього процесу, до порошкової суміші додають добавки для спікання, такі як оксид алюмінію, Cr, Co, Ni та скло.

Застосування кераміки з карбіду бору

Карбід бору має багато різних застосувань.

Карбід бору використовується як притирання та абразив.

Карбід бору у формі порошку ідеально підходить для використання в якості абразиву та притирки з високою швидкістю видалення матеріалу при обробці надтвердих матеріалів.

Карбід бору використовується для виготовлення керамічних струминних насадок.

Карбід бору надзвичайно стійкий до зношування, що робить його чудовим матеріалом для спекання сопел. Навіть при використанні надзвичайно жорстких абразивних засобівтакі як корунд і карбід кремнію, потужність вибуху залишається незмінною, мінімальний знос, а сопла довговічніші.

Карбід бору використовується як матеріал для балістичного захисту.

Карбід бору забезпечує балістичний захист, порівнянний із захистом броньованої сталі та оксиду алюмінію, але при значно меншій вазі. Сучасна військова техніка, крім невеликої ваги, характеризується високим ступенем твердості, міцності на стиск і високим модулем пружності. Карбід бору перевершує всі інші альтернативні матеріали для цього застосування.

Як поглинач нейтронів використовується карбід бору.

У техніці найважливішим поглиначем нейтронів є B10, який використовується як карбід бору в управлінні ядерними реакторами.

Атомна структура бору робить його ефективним поглиначем нейтронів. Зокрема, ізотоп 10B, присутній приблизно в 20% його природного поширення, має високий ядерний переріз і може захоплювати теплові нейтрони, які утворюються в результаті реакції поділу урану.

Диск із карбіду бору ядерного класу для поглинання нейтронів