Borcarbid ist ein schwarzes Kristall mit metallischem Glanz, auch bekannt als schwarzer Diamant, und gehört zu den anorganischen, nichtmetallischen Werkstoffen. Heutzutage ist Borcarbid allgemein bekannt, vermutlich aufgrund seiner Verwendung in kugelsicheren Westen. Es besitzt die geringste Dichte aller keramischen Werkstoffe, einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Härte. Durch die gezielte Nutzung von Mikrorissen kann es die Energie von Geschossen absorbieren und gleichzeitig die Belastung minimieren. Tatsächlich weist Borcarbid jedoch viele weitere einzigartige Eigenschaften auf, die ihm eine wichtige Rolle in Bereichen wie Schleifmitteln, Feuerfestmaterialien, der Nuklearindustrie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Feldern verleihen.
Eigenschaften vonBorcarbid
Hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften steht Borcarbid in puncto Härte nur Diamant und kubischem Bornitrid nach. Es behält auch bei hohen Temperaturen seine hohe Festigkeit und eignet sich daher ideal als verschleißfestes Hochtemperaturmaterial. Mit einer theoretischen Dichte von nur 2,52 g/cm³ ist Borcarbid sehr gering und leichter als herkömmliche Keramikwerkstoffe. Daher findet es Anwendung in der Luft- und Raumfahrt. Borcarbid zeichnet sich durch ein starkes Neutronenabsorptionsvermögen, gute thermische Stabilität und einen Schmelzpunkt von 2450 °C aus und wird daher auch in der Nuklearindustrie eingesetzt. Durch die Zugabe von Bor lässt sich das Neutronenabsorptionsvermögen weiter verbessern. Borcarbidwerkstoffe mit spezifischer Morphologie und Struktur weisen zudem besondere photoelektrische Eigenschaften auf. Darüber hinaus bietet Borcarbid mit seinem hohen Schmelzpunkt, dem hohen Elastizitätsmodul, dem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und den guten Eigenschaften eine vielversprechende Anwendung in Bereichen wie Metallurgie, Chemie, Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt sowie der Rüstungsindustrie. Zum Beispiel korrosionsbeständige und verschleißfeste Teile, die zur Herstellung von kugelsicherer Panzerung, Reaktorsteuerstäben und thermoelektrischen Elementen usw. verwendet werden.
Hinsichtlich seiner chemischen Eigenschaften reagiert Borcarbid bei Raumtemperatur nicht mit Säuren, Laugen und den meisten anorganischen Verbindungen und kaum mit Sauerstoff und Halogenen. Es weist eine hohe chemische Stabilität auf. Darüber hinaus wird Borcarbidpulver durch Halogene als Borierungsmittel für Stahl aktiviert. Dabei dringt Bor in die Stahloberfläche ein und bildet einen Eisenboridfilm, wodurch die Festigkeit und Verschleißfestigkeit des Materials erhöht werden. Die chemischen Eigenschaften von Borcarbid sind hervorragend.
Wir alle wissen, dass die Eigenschaften des Materials dessen Verwendung bestimmen. In welchen Anwendungsbereichen zeigt Borcarbidpulver also herausragende Leistungen?Die Ingenieure des Forschungs- und Entwicklungszentrums vonUrbanMines Tech.Die Co., Ltd. erstellte folgende Zusammenfassung.
Anwendung vonBorcarbid
1. Borcarbid wird als Poliermittel verwendet.
Borcarbid wird hauptsächlich als Schleifmittel zum Schleifen und Polieren von Saphir eingesetzt. Unter den superharten Materialien weist Borcarbid eine höhere Härte auf als Aluminiumoxid und Siliciumcarbid und steht damit an zweiter Stelle hinter Diamant und kubischem Bornitrid. Saphir ist das ideale Substratmaterial für Halbleiter-LEDs (GaN/Al₂O₃), großflächige integrierte Schaltungen (SOI und SOS) sowie supraleitende Nanostrukturfilme. Die Oberfläche muss extrem glatt und frei von Beschädigungen sein. Aufgrund der hohen Festigkeit und Härte des Saphirkristalls (Mohshärte 9) stellt die Bearbeitung Saphir vor große Herausforderungen.
Aus Sicht der Material- und Schleiftechnik eignen sich synthetische Diamanten, Borcarbid, Siliciumcarbid und Siliciumdioxid am besten für die Bearbeitung und das Schleifen von Saphirkristallen. Synthetischer Diamant ist mit einer Mohshärte von 10 zu hart, was beim Schleifen von Saphirwafern zu Kratzern auf der Oberfläche und einer Beeinträchtigung der Lichtdurchlässigkeit führen kann. Zudem ist er teuer. Siliciumcarbid weist nach dem Schneiden üblicherweise eine hohe Oberflächenrauheit (RA) und eine geringe Planheit auf. Siliciumdioxid hingegen ist mit einer Mohshärte von 7 zu hart und bietet eine zu geringe Schleifkraft, was den Schleifprozess zeit- und arbeitsaufwändig macht. Daher hat sich Borcarbid (Mohshärte 9,3) als ideales Schleifmittel für die Bearbeitung und das Schleifen von Saphirkristallen etabliert und erzielt hervorragende Ergebnisse beim beidseitigen Schleifen von Saphirwafern sowie beim Ausdünnen und Polieren der Rückseite von epitaktischen LED-Wafern auf Saphirbasis.
Es ist erwähnenswert, dass Borcarbid bei Temperaturen über 600 °C eine Oberflächenoxidation zu einem B₂O₃-Film bildet, wodurch es etwas weicher wird. Daher ist es für das Trockenschleifen bei hohen Temperaturen in abrasiven Anwendungen ungeeignet, sondern nur für das Polieren mit flüssigem Schleifmittel. Diese Eigenschaft verhindert jedoch eine weitere Oxidation von B₄C und verleiht ihm somit einzigartige Vorteile bei der Anwendung in feuerfesten Werkstoffen.
2. Anwendung in feuerfesten Materialien
Borcarbid zeichnet sich durch Oxidationsbeständigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit aus. Es wird häufig als hochentwickeltes, geformtes und ungeformtes Feuerfestmaterial eingesetzt und findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen der Metallurgie, beispielsweise bei Stahlöfen und Ofeneinrichtungen.
Angesichts des Bedarfs an Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung in der Eisen- und Stahlindustrie sowie der Herstellung von kohlenstoffarmem und ultra-kohlenstoffarmem Stahl hat die Forschung und Entwicklung von kohlenstoffarmen Magnesia-Kohlenstoff-Steinen (im Allgemeinen < 8 % Kohlenstoffgehalt) mit hervorragenden Eigenschaften zunehmend die Aufmerksamkeit in- und ausländischer Unternehmen auf sich gezogen. Derzeit werden die Eigenschaften dieser Steine im Allgemeinen durch die Verbesserung der gebundenen Kohlenstoffstruktur, die Optimierung der Matrixstruktur und die Zugabe hochwirksamer Antioxidantien optimiert. Dabei kommt graphitierter Kohlenstoff zum Einsatz, der aus industriellem Borcarbid und teilweise graphitisiertem Ruß besteht. Schwarzes Kompositpulver, das als Kohlenstoffquelle und Antioxidans für kohlenstoffarme Magnesia-Kohlenstoff-Steine verwendet wird, hat gute Ergebnisse erzielt.
Da Borcarbid bei hohen Temperaturen bis zu einem gewissen Grad weich wird, kann es sich an die Oberfläche anderer Materialpartikel anlagern. Selbst bei verdichtetem Produkt bildet der B₂O₃-Oxidfilm auf der Oberfläche einen gewissen Schutz und wirkt oxidationshemmend. Gleichzeitig verringert sich durch die Verteilung der bei der Reaktion entstehenden Säulenkristalle in der Matrix und den Zwischenräumen des feuerfesten Materials die Porosität, die Festigkeit bei mittleren Temperaturen wird verbessert und das Volumen der gebildeten Kristalle vergrößert sich, wodurch Volumenschrumpfungen ausgeglichen und Risse reduziert werden.
3. Kugelsichere Materialien zur Verbesserung der nationalen Verteidigung
Aufgrund seiner hohen Härte, Festigkeit, geringen Dichte und hohen ballistischen Widerstandsfähigkeit entspricht Borcarbid besonders dem Trend zu leichten, kugelsicheren Materialien. Es ist das beste Material zum Schutz von Flugzeugen, Fahrzeugen, Panzerungen und dem menschlichen Körper.Einige Länderhaben die Forschung an kostengünstiger ballistischer Panzerung aus Borcarbid vorgeschlagen, mit dem Ziel, den großflächigen Einsatz ballistischer Panzerung aus Borcarbid in der Verteidigungsindustrie zu fördern.
4. Anwendung in der Nuklearindustrie
Borcarbid besitzt einen hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt und ein breites Neutronenenergiespektrum und gilt international als bester Neutronenabsorber für die Kernindustrie. Der thermische Absorptionsquerschnitt des Bor-10-Isotops erreicht mit 347 × 10⁻²⁴ cm² einen Spitzenwert und liegt damit nur hinter Elementen wie Gadolinium, Samarium und Cadmium. Es ist ein effizienter Absorber thermischer Neutronen. Darüber hinaus ist Borcarbid reichlich vorhanden, korrosionsbeständig, thermisch stabil, erzeugt keine radioaktiven Isotope und emittiert geringe Sekundärstrahlung. Daher findet Borcarbid breite Anwendung als Steuerungs- und Abschirmmaterial in Kernreaktoren.
In der Kerntechnik wird beispielsweise bei Hochtemperatur-Gasreaktoren ein Bor-Abschaltsystem mit absorbierenden Kugeln als zweites Abschaltsystem eingesetzt. Versagt das erste Abschaltsystem im Falle eines Unfalls, nutzt das zweite Abschaltsystem eine große Anzahl von Borcarbid-Pellets, die frei in den Kanal der reflektierenden Schicht des Reaktorkerns fallen, um den Reaktor abzuschalten und eine Kaltabschaltung zu erreichen. Die absorbierenden Kugeln bestehen dabei aus Graphit und enthalten Borcarbid. Die Hauptfunktion des Borcarbidkerns im Hochtemperatur-Gasreaktor ist die Leistungs- und Sicherheitsregelung des Reaktors. Der Kohlenstoffkern ist mit Borcarbid, einem neutronenabsorbierenden Material, imprägniert, wodurch die Neutronenbestrahlung des Reaktordruckbehälters reduziert wird.
Gegenwärtig umfassen Boridmaterialien für Kernreaktoren hauptsächlich folgende Werkstoffe: Borcarbid (Steuerstäbe, Abschirmstäbe), Borsäure (Moderator, Kühlmittel), Borstahl (Steuerstäbe und Lagermaterialien für Kernbrennstoff und radioaktiven Abfall), Bor-Europium (Kernvergiftungsmaterial) usw.