Το καρβίδιο του βορίου είναι ένας μαύρος κρύσταλλος με μεταλλική λάμψη, γνωστός και ως μαύρο διαμάντι, που ανήκει στα ανόργανα μη μεταλλικά υλικά. Προς το παρόν, όλοι είναι εξοικειωμένοι με το υλικό του καρβιδίου του βορίου, το οποίο μπορεί να οφείλεται στην εφαρμογή αλεξίσφαιρης θωράκισης, επειδή έχει τη χαμηλότερη πυκνότητα μεταξύ των κεραμικών υλικών, έχει τα πλεονεκτήματα του υψηλού μέτρου ελαστικότητας και της υψηλής σκληρότητας και μπορεί να επιτύχει καλή χρήση μικρο-θραύσης για την απορρόφηση βλημάτων. Η επίδραση της ενέργειας, διατηρώντας παράλληλα το φορτίο όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Αλλά στην πραγματικότητα, το καρβίδιο του βορίου έχει πολλές άλλες μοναδικές ιδιότητες, οι οποίες μπορούν να το κάνουν να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε λειαντικά, πυρίμαχα υλικά, πυρηνική βιομηχανία, αεροδιαστημική και άλλους τομείς.
Ιδιότητες τουκαρβίδιο του βορίου
Όσον αφορά τις φυσικές ιδιότητες, η σκληρότητα του καρβιδίου του βορίου είναι μόνο μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του βορίου, και μπορεί ακόμα να διατηρήσει υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ιδανικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας ανθεκτικό στη φθορά. Η πυκνότητα του καρβιδίου του βορίου είναι πολύ μικρή (θεωρητική πυκνότητα είναι μόνο 2,52 g/cm3), ελαφρύτερη από τα συνηθισμένα κεραμικά υλικά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον αεροδιαστημικό τομέα. Το καρβίδιο του βορίου έχει ισχυρή ικανότητα απορρόφησης νετρονίων, καλή θερμική σταθερότητα και σημείο τήξης 2450 °C, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως και στην πυρηνική βιομηχανία. Η ικανότητα απορρόφησης νετρονίων του νετρονίου μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την προσθήκη στοιχείων Β. Τα υλικά καρβιδίου του βορίου με συγκεκριμένη μορφολογία και δομή έχουν επίσης ειδικές φωτοηλεκτρικές ιδιότητες. Επιπλέον, το καρβίδιο του βορίου έχει υψηλό σημείο τήξης, υψηλό μέτρο ελαστικότητας, χαμηλό συντελεστή διαστολής και καλή ποιότητα. Αυτά τα πλεονεκτήματα το καθιστούν ένα πιθανό υλικό εφαρμογής σε πολλούς τομείς όπως η μεταλλουργία, η χημική βιομηχανία, τα μηχανήματα, η αεροδιαστημική και η στρατιωτική βιομηχανία. Για παράδειγμα, ανθεκτικά στη διάβρωση και ανθεκτικά στη φθορά μέρη, κατασκευή αλεξίσφαιρων θωράκισης, ράβδων ελέγχου αντιδραστήρων και θερμοηλεκτρικών στοιχείων κ.λπ.
Όσον αφορά τις χημικές ιδιότητες, το καρβίδιο του βορίου δεν αντιδρά με οξέα, αλκάλια και τις περισσότερες ανόργανες ενώσεις σε θερμοκρασία δωματίου και αντιδρά δύσκολα με οξυγόνο και αλογόνα σε θερμοκρασία δωματίου, και οι χημικές του ιδιότητες είναι σταθερές. Επιπλέον, η σκόνη καρβιδίου του βορίου ενεργοποιείται από αλογόνο ως παράγοντα βοριοποίησης χάλυβα και το βόριο διεισδύει στην επιφάνεια του χάλυβα για να σχηματίσει μια μεμβράνη βοριδίου σιδήρου, ενισχύοντας έτσι την αντοχή και την αντοχή στη φθορά του υλικού, και οι χημικές του ιδιότητες είναι εξαιρετικές.
Όλοι γνωρίζουμε ότι η φύση του υλικού καθορίζει τη χρήση, επομένως σε ποιες εφαρμογές έχει εξαιρετική απόδοση η σκόνη καρβιδίου του βορίου;Οι μηχανικοί του κέντρου Έρευνας και ΑνάπτυξηςΤεχνολογία Αστικών Ορυχείων.Η Co., Ltd. έκανε την ακόλουθη περίληψη.
Εφαρμογή τουκαρβίδιο του βορίου
1. Το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται ως λειαντικό γυαλίσματος
Η εφαρμογή του καρβιδίου του βορίου ως λειαντικού χρησιμοποιείται κυρίως για την λείανση και τη στίλβωση ζαφειριού. Μεταξύ των υπερσκληρών υλικών, η σκληρότητα του καρβιδίου του βορίου είναι καλύτερη από αυτή του οξειδίου του αργιλίου και του καρβιδίου του πυριτίου, δεύτερη μόνο μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του βορίου. Το ζαφείρι είναι το ιδανικότερο υλικό υποστρώματος για ημιαγωγικές διόδους εκπομπής φωτός (LED) GaN/Al2O3, ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης κλίμακας SOI και SOS και υπεραγώγιμες μεμβράνες νανοδομής. Η λεία επιφάνεια είναι πολύ υψηλή και πρέπει να είναι εξαιρετικά λεία. Χωρίς βαθμό ζημιάς. Λόγω της υψηλής αντοχής και της υψηλής σκληρότητας του κρυστάλλου ζαφειριού (σκληρότητα Mohs 9), έχει προκαλέσει μεγάλες δυσκολίες στις επιχειρήσεις επεξεργασίας.
Από την άποψη των υλικών και της λείανσης, τα καλύτερα υλικά για την επεξεργασία και λείανση κρυστάλλων ζαφειριού είναι το συνθετικό διαμάντι, το καρβίδιο του βορίου, το καρβίδιο του πυριτίου και το διοξείδιο του πυριτίου. Η σκληρότητα του τεχνητού διαμαντιού είναι πολύ υψηλή (σκληρότητα Mohs 10). Κατά την λείανση της πλακέτας ζαφειριού, θα γρατσουνιστεί η επιφάνεια, θα επηρεάσει τη διαπερατότητα του φωτός της πλακέτας και η τιμή είναι ακριβή. Μετά την κοπή του καρβιδίου του πυριτίου, η τραχύτητα RA είναι συνήθως υψηλή και η επιπεδότητα κακή. Ωστόσο, η σκληρότητα του πυριτίου δεν είναι αρκετή (σκληρότητα Mohs 7) και η δύναμη λείανσης είναι κακή, γεγονός που απαιτεί πολύ χρόνο και εργασία στη διαδικασία λείανσης. Επομένως, το λειαντικό καρβιδίου του βορίου (σκληρότητα Mohs 9,3) έχει γίνει το ιδανικότερο υλικό για την επεξεργασία και λείανση κρυστάλλων ζαφειριού και έχει εξαιρετική απόδοση στην διπλή όψη λείανσης πλακιδίων ζαφειριού και στην οπισθολέπτυνση και στίλβωση επιταξιακών πλακιδίων LED με βάση το ζαφείρι.
Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν το καρβίδιο του βορίου βρίσκεται σε θερμοκρασία άνω των 600°C, η επιφάνεια οξειδώνεται σε φιλμ B2O3, το οποίο το μαλακώνει σε κάποιο βαθμό, επομένως δεν είναι κατάλληλο για ξηρή λείανση σε πολύ υψηλή θερμοκρασία σε εφαρμογές λείανσης, αλλά μόνο για στίλβωση με υγρή άλεση. Ωστόσο, αυτή η ιδιότητα εμποδίζει την περαιτέρω οξείδωση του B4C, καθιστώντας το μοναδικό πλεονέκτημα στην εφαρμογή πυρίμαχων υλικών.
2. Εφαρμογή σε πυρίμαχα υλικά
Το καρβίδιο του βορίου έχει τα χαρακτηριστικά της αντιοξείδωσης και της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται γενικά ως προηγμένο διαμορφωμένο και μη διαμορφωμένο πυρίμαχο υλικό και χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους τομείς της μεταλλουργίας, όπως χαλύβδινες σόμπες και έπιπλα κλιβάνων.
Με τις ανάγκες εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης της κατανάλωσης στη βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα και την τήξη χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και χάλυβα εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, η έρευνα και ανάπτυξη τούβλων μαγνησίας-άνθρακα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (γενικά <8% περιεκτικότητα σε άνθρακα) με εξαιρετική απόδοση έχει προσελκύσει όλο και περισσότερο την προσοχή των εγχώριων και ξένων βιομηχανιών. Προς το παρόν, η απόδοση των τούβλων μαγνησίας-άνθρακα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα βελτιώνεται γενικά με τη βελτίωση της δομής του συνδεδεμένου άνθρακα, τη βελτιστοποίηση της δομής μήτρας των τούβλων μαγνησίας-άνθρακα και την προσθήκη αντιοξειδωτικών υψηλής απόδοσης. Μεταξύ αυτών, χρησιμοποιείται γραφιτοποιημένος άνθρακας που αποτελείται από καρβίδιο του βορίου βιομηχανικής ποιότητας και εν μέρει γραφιτοποιημένο αιθάλη. Η μαύρη σύνθετη σκόνη, που χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα και αντιοξειδωτικό για τούβλα μαγνησίας-άνθρακα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, έχει επιτύχει καλά αποτελέσματα.
Δεδομένου ότι το καρβίδιο του βορίου μαλακώνει σε κάποιο βαθμό σε υψηλή θερμοκρασία, μπορεί να προσκολληθεί στην επιφάνεια άλλων σωματιδίων υλικού. Ακόμα και αν το προϊόν συμπυκνωθεί, η μεμβράνη οξειδίου B2O3 στην επιφάνεια μπορεί να σχηματίσει μια ορισμένη προστασία και να παίξει έναν αντιοξειδωτικό ρόλο. Ταυτόχρονα, επειδή οι στηλοειδής κρύσταλλοι που παράγονται από την αντίδραση κατανέμονται στη μήτρα και τα κενά του πυρίμαχου υλικού, το πορώδες μειώνεται, η αντοχή στη μέση θερμοκρασία βελτιώνεται και ο όγκος των παραγόμενων κρυστάλλων διαστέλλεται, γεγονός που μπορεί να θεραπεύσει τη συρρίκνωση όγκου και να μειώσει τις ρωγμές.
3. Αλεξίσφαιρα υλικά που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της εθνικής άμυνας
Λόγω της υψηλής σκληρότητας, της υψηλής αντοχής, του μικρού ειδικού βάρους και του υψηλού επιπέδου βαλλιστικής αντοχής, το καρβίδιο του βορίου είναι ιδιαίτερα σύμφωνο με την τάση των ελαφρών αλεξίσφαιρων υλικών. Είναι το καλύτερο αλεξίσφαιρο υλικό για την προστασία αεροσκαφών, οχημάτων, πανοπλιών και ανθρώπινων σωμάτων. Σήμερα,Ορισμένες χώρεςέχουν προτείνει έρευνα για την χαμηλού κόστους αντιβαλλιστική θωράκιση από καρβίδιο του βορίου, με στόχο την προώθηση της μεγάλης κλίμακας χρήσης της αντιβαλλιστικής θωράκισης από καρβίδιο του βορίου στην αμυντική βιομηχανία.
4. Εφαρμογή στην πυρηνική βιομηχανία
Το καρβίδιο του βορίου έχει υψηλή διατομή απορρόφησης νετρονίων και ευρύ φάσμα ενέργειας νετρονίων και αναγνωρίζεται διεθνώς ως ο καλύτερος απορροφητής νετρονίων για την πυρηνική βιομηχανία. Μεταξύ αυτών, η θερμική διατομή του ισοτόπου βορίου-10 φτάνει τα 347×10-24 cm2, δεύτερη μόνο μετά από λίγα στοιχεία όπως το γαδολίνιο, το σαμάριο και το κάδμιο, και είναι ένας αποτελεσματικός θερμικός απορροφητής νετρονίων. Επιπλέον, το καρβίδιο του βορίου είναι πλούσιο σε πόρους, ανθεκτικό στη διάβρωση, καλή θερμική σταθερότητα, δεν παράγει ραδιενεργά ισότοπα και έχει χαμηλή ενέργεια δευτερογενών ακτίνων, επομένως το καρβίδιο του βορίου χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό ελέγχου και υλικό θωράκισης σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Για παράδειγμα, στην πυρηνική βιομηχανία, ο αντιδραστήρας υψηλής θερμοκρασίας που ψύχεται με αέριο χρησιμοποιεί σύστημα διακοπής λειτουργίας με μπάλα απορρόφησης βορίου ως δεύτερο σύστημα διακοπής λειτουργίας. Σε περίπτωση ατυχήματος, όταν το πρώτο σύστημα διακοπής λειτουργίας αποτύχει, το δεύτερο σύστημα διακοπής λειτουργίας χρησιμοποιεί μεγάλο αριθμό σφαιριδίων καρβιδίου του βορίου που πέφτουν ελεύθερα στο κανάλι του ανακλαστικού στρώματος του πυρήνα του αντιδραστήρα κ.λπ., για να κλείσει τον αντιδραστήρα και να πραγματοποιήσει ψυχρή διακοπή λειτουργίας, όπου η μπάλα απορρόφησης είναι μια μπάλα γραφίτη που περιέχει καρβίδιο του βορίου. Η κύρια λειτουργία του πυρήνα καρβιδίου του βορίου στον αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας που ψύχεται με αέριο είναι ο έλεγχος της ισχύος και της ασφάλειας του αντιδραστήρα. Το τούβλο άνθρακα είναι εμποτισμένο με υλικό απορρόφησης νετρονίων καρβιδίου του βορίου, το οποίο μπορεί να μειώσει την ακτινοβολία νετρονίων του δοχείου πίεσης του αντιδραστήρα.
Προς το παρόν, τα υλικά βοριδίου για πυρηνικούς αντιδραστήρες περιλαμβάνουν κυρίως τα ακόλουθα υλικά: καρβίδιο του βορίου (ράβδοι ελέγχου, ράβδοι θωράκισης), βορικό οξύ (επιβραδυντής, ψυκτικό μέσο), βοριούχο χάλυβα (ράβδοι ελέγχου και υλικά αποθήκευσης πυρηνικών καυσίμων και πυρηνικών αποβλήτων), βόριο ευρώπιο (καύσιμο δηλητηριώδες υλικό πυρήνα) κ.λπ.