كربيد البورون بلورة سوداء ذات بريق معدني، تُعرف أيضاً بالماس الأسود، وهي من المواد غير العضوية غير المعدنية. باتت مادة كربيد البورون معروفة على نطاق واسع، ربما بسبب استخدامها في صناعة الدروع الواقية من الرصاص، نظراً لانخفاض كثافتها مقارنةً بالمواد الخزفية الأخرى، فضلاً عن امتلاكها معامل مرونة وصلابة عاليين، وقدرتها على امتصاص طاقة المقذوفات بكفاءة عالية بفضل خاصية التصدع الدقيق، مع الحفاظ على أدنى حد ممكن من الحمل. لكن في الواقع، يتمتع كربيد البورون بالعديد من الخصائص الفريدة الأخرى، مما يجعله ذا أهمية بالغة في مجالات المواد الكاشطة، والمواد المقاومة للحرارة، والصناعات النووية، والفضاء، وغيرها.
خصائصكربيد البورون
من حيث الخصائص الفيزيائية، لا تتجاوز صلابة كربيد البورون سوى صلابة الماس ونيتريد البورون المكعب، ويحافظ على قوة عالية حتى في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعله مادة مثالية مقاومة للتآكل في درجات الحرارة العالية. يتميز كربيد البورون بكثافة منخفضة جدًا (كثافته النظرية 2.52 جم/سم³ فقط)، وهو أخف وزنًا من المواد الخزفية العادية، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في مجال الطيران والفضاء. يتمتع كربيد البورون بقدرة عالية على امتصاص النيوترونات، وثبات حراري جيد، ونقطة انصهار تبلغ 2450 درجة مئوية، لذا يُستخدم على نطاق واسع في الصناعة النووية. ويمكن تحسين قدرة امتصاص النيوترونات بإضافة عنصر البورون. كما تتمتع مواد كربيد البورون ذات الشكل والبنية المحددة بخصائص كهروضوئية مميزة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز كربيد البورون بنقطة انصهار عالية، ومعامل مرونة عالٍ، ومعامل تمدد منخفض، مما يجعله مادة واعدة للتطبيقات في العديد من المجالات مثل التعدين، والصناعات الكيميائية، والآلات، والطيران والفضاء، والصناعات العسكرية. على سبيل المثال، الأجزاء المقاومة للتآكل والتآكل، وصنع الدروع المضادة للرصاص، وقضبان التحكم في المفاعلات، والعناصر الكهروحرارية، وما إلى ذلك.
من حيث الخصائص الكيميائية، لا يتفاعل كربيد البورون مع الأحماض والقلويات ومعظم المركبات غير العضوية في درجة حرارة الغرفة، ويكاد لا يتفاعل مع الأكسجين وغازات الهالوجين في درجة حرارة الغرفة، وخصائصه الكيميائية مستقرة. إضافةً إلى ذلك، يُفعَّل مسحوق كربيد البورون بالهالوجين كعامل بوريد للصلب، حيث يتغلغل البورون على سطح الصلب مُشكِّلاً طبقة من بوريد الحديد، مما يُحسِّن من قوة المادة ومقاومتها للتآكل، وخصائصه الكيميائية ممتازة.
نعلم جميعًا أن طبيعة المادة تحدد استخدامها، لذا في أي تطبيقات يتمتع مسحوق كربيد البورون بأداء متميز؟مهندسو مركز البحث والتطوير التابع لـشركة أوربان ماينز للتكنولوجياقدمت الشركة المحدودة الملخص التالي.
تطبيقكربيد البورون
1. يُستخدم كربيد البورون كمادة كاشطة للتلميع
يُستخدم كربيد البورون كمادة كاشطة بشكل أساسي في طحن وتلميع الياقوت. ومن بين المواد فائقة الصلابة، يتفوق كربيد البورون في الصلابة على أكسيد الألومنيوم وكربيد السيليكون، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الماس ونيتريد البورون المكعب. يُعد الياقوت المادة المثالية لركائز أشباه الموصلات في الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) المصنوعة من GaN/Al₂O₃، والدوائر المتكاملة واسعة النطاق SOI وSOS، والأغشية النانوية فائقة التوصيل. يتميز الياقوت بنعومة سطح فائقة، ويجب أن يكون سطحه أملسًا للغاية وخاليًا من أي تلف. ونظرًا لقوة وصلابة بلورة الياقوت العالية (صلابة موس 9)، فقد شكّل ذلك تحديًا كبيرًا لشركات التصنيع.
من منظور المواد والطحن، تُعدّ أفضل المواد لمعالجة وطحن بلورات الياقوت هي الماس الصناعي، وكربيد البورون، وكربيد السيليكون، وثاني أكسيد السيليكون. إلا أن صلابة الماس الصناعي عالية جدًا (10 على مقياس موس)، مما يؤدي إلى خدش سطح رقاقة الياقوت عند طحنها، ويؤثر على نفاذية الضوء، كما أنه باهظ الثمن. أما كربيد السيليكون، فعادةً ما تكون خشونة سطحه عالية، وسطحه غير مستوٍ. في المقابل، فإن صلابة السيليكا غير كافية (7 على مقياس موس)، وقوة الطحن ضعيفة، مما يجعل عملية الطحن تستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين. لذا، أصبح كربيد البورون الكاشط (9.3 على مقياس موس) المادة الأمثل لمعالجة وطحن بلورات الياقوت، ويتميز بأداء ممتاز في الطحن ثنائي الجانب لرقائق الياقوت، وفي ترقيق وتلميع رقائق LED المصنوعة من الياقوت.
تجدر الإشارة إلى أنه عند تجاوز درجة حرارة كربيد البورون 600 درجة مئوية، يتأكسد سطحه مكونًا طبقة من أكسيد البورون (B2O3)، مما يجعله أكثر ليونة إلى حد ما، لذا فهو غير مناسب للطحن الجاف عند درجات حرارة عالية جدًا في التطبيقات الكاشطة، وإنما يُستخدم فقط في الصقل بالطحن السائل. مع ذلك، تمنع هذه الخاصية كربيد البورون (B4C) من التأكسد أكثر، مما يمنحه مزايا فريدة في تطبيقات المواد المقاومة للحرارة.
2. التطبيق في المواد المقاومة للحرارة
يتميز كربيد البورون بخصائص مقاومة الأكسدة ودرجات الحرارة العالية. ويُستخدم بشكل عام كمواد حرارية متطورة، سواء كانت مشكلة أو غير مشكلة، ويُستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات علم المعادن، مثل أفران الصلب وأثاث الأفران.
مع تزايد الحاجة إلى ترشيد استهلاك الطاقة في صناعة الحديد والصلب، وصهر الفولاذ منخفض الكربون والفولاذ فائق الانخفاض في الكربون، حظي البحث والتطوير في مجال طوب المغنيسيا الكربوني منخفض الكربون (بمحتوى كربوني أقل من 8% عمومًا) ذي الأداء المتميز باهتمام متزايد من الصناعات المحلية والعالمية. ويتم حاليًا تحسين أداء هذا الطوب من خلال تعزيز بنية الكربون المترابطة، وتحسين بنية المادة الأساسية، وإضافة مضادات أكسدة عالية الفعالية. ومن بين هذه المواد، يُستخدم الكربون المُجرافيت المُكوّن من كربيد البورون الصناعي ومسحوق الكربون الأسود المُجرافيت جزئيًا. وقد حقق مسحوق الكربون الأسود المركب، المستخدم كمصدر للكربون ومضاد للأكسدة في طوب المغنيسيا الكربوني منخفض الكربون، نتائج جيدة.
بما أن كربيد البورون يلين إلى حد ما عند درجات الحرارة العالية، فإنه يلتصق بسطح جزيئات المواد الأخرى. حتى مع زيادة كثافة المنتج، فإن طبقة أكسيد البورون (B2O3) على السطح تُشكل طبقة واقية وتؤدي دورًا مضادًا للأكسدة. في الوقت نفسه، ولأن البلورات العمودية الناتجة عن التفاعل تتوزع في مصفوفة المادة الحرارية وفجواتها، فإن المسامية تقل، وتتحسن مقاومة المادة عند درجات الحرارة المتوسطة، كما أن حجم البلورات المتكونة يتمدد، مما يُعالج انكماش الحجم ويقلل من التشققات.
3. مواد مضادة للرصاص تُستخدم لتعزيز الدفاع الوطني
نظراً لصلابته العالية، وقوته الفائقة، وكثافته المنخفضة، ومقاومته العالية للرصاص، يُعدّ كربيد البورون خياراً مثالياً يتماشى مع توجهات تطوير مواد خفيفة الوزن مضادة للرصاص. وهو حالياً أفضل مادة مضادة للرصاص لحماية الطائرات والمركبات والدروع والأجسام البشرية؛بعض البلداناقترحوا إجراء أبحاث حول الدروع المضادة للرصاص المصنوعة من كربيد البورون منخفضة التكلفة، بهدف تعزيز الاستخدام واسع النطاق للدروع المضادة للرصاص المصنوعة من كربيد البورون في صناعة الدفاع.
4. التطبيق في الصناعة النووية
يتميز كربيد البورون بمقطع عرضي عالٍ لامتصاص النيوترونات وطيف طاقة نيوتروني واسع، وهو معترف به دوليًا كأفضل مادة ماصة للنيوترونات في الصناعة النووية. ومن بينها، يصل المقطع الحراري لنظير البورون-10 إلى 347 × 10⁻²⁴ سم²، ليحتل المرتبة الثانية بعد عناصر قليلة مثل الغادولينيوم والساماريوم والكادميوم، مما يجعله مادة فعالة في امتصاص النيوترونات الحرارية. إضافةً إلى ذلك، يتميز كربيد البورون بوفرة موارده، ومقاومته للتآكل، واستقراره الحراري الجيد، وعدم إنتاجه نظائر مشعة، وانخفاض طاقة الأشعة الثانوية المنبعثة منه، لذا يُستخدم على نطاق واسع كمواد تحكم ومواد حماية في المفاعلات النووية.
على سبيل المثال، في الصناعة النووية، يستخدم المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز نظام إيقاف تشغيل ثانٍ يعتمد على كرات امتصاص البورون. في حالة وقوع حادث، وعند تعطل نظام الإيقاف الأول، يستخدم النظام الثاني عددًا كبيرًا من كريات كربيد البورون التي تسقط سقوطًا حرًا في قناة الطبقة العاكسة لقلب المفاعل، لإيقاف تشغيل المفاعل وتحقيق الإيقاف البارد، حيث تكون كرة الامتصاص عبارة عن كرة من الجرافيت تحتوي على كربيد البورون. تتمثل الوظيفة الرئيسية لقلب كربيد البورون في المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز في التحكم في طاقة المفاعل وسلامته. يتم تشريب الطوب الكربوني بمادة كربيد البورون الماصة للنيوترونات، مما يقلل من تعرض وعاء ضغط المفاعل للإشعاع النيوتروني.
في الوقت الحاضر، تشمل مواد البوريد للمفاعلات النووية بشكل رئيسي المواد التالية: كربيد البورون (قضبان التحكم، قضبان الحماية)، حمض البوريك (مهدئ، مبرد)، فولاذ البورون (قضبان التحكم ومواد تخزين الوقود النووي والنفايات النووية)، بورون اليوروبيوم (مادة سامة قابلة للاحتراق في قلب المفاعل)، إلخ.