El carburo de boro es un cristal negro con brillo metálico, también conocido como diamante negro, perteneciente a los materiales inorgánicos no metálicos. Actualmente, es un material muy conocido, posiblemente debido a su aplicación en blindajes antibalas. Posee la menor densidad entre los materiales cerámicos, un alto módulo elástico y una elevada dureza, además de una buena capacidad de absorción de energía mediante microfracturas, minimizando la carga. Sin embargo, el carburo de boro cuenta con muchas otras propiedades únicas que le permiten desempeñar un papel importante en abrasivos, materiales refractarios, la industria nuclear, la industria aeroespacial y otros campos.
Propiedades decarburo de boro
En términos de propiedades físicas, la dureza del carburo de boro solo es superada por la del diamante y el nitruro de boro cúbico, y puede mantener una alta resistencia a altas temperaturas, lo que lo convierte en un material ideal para aplicaciones resistentes al desgaste a altas temperaturas; la densidad del carburo de boro es muy baja (la densidad teórica es de solo 2,52 g/cm³), más ligero que los materiales cerámicos comunes, y puede utilizarse en el sector aeroespacial; el carburo de boro posee una fuerte capacidad de absorción de neutrones, buena estabilidad térmica y un punto de fusión de 2450 °C, por lo que también se utiliza ampliamente en la industria nuclear. La capacidad de absorción de neutrones puede mejorarse aún más mediante la adición de elementos B; los materiales de carburo de boro con morfología y estructura específicas también poseen propiedades fotoeléctricas especiales; además, el carburo de boro tiene un alto punto de fusión, un alto módulo elástico, un bajo coeficiente de expansión y buenas propiedades. Estas ventajas lo convierten en un material de aplicación potencial en muchos campos como la metalurgia, la industria química, la maquinaria, la industria aeroespacial y la militar. Por ejemplo, piezas resistentes a la corrosión y al desgaste, la fabricación de blindaje antibalas, barras de control de reactores y elementos termoeléctricos, etc.
En cuanto a sus propiedades químicas, el carburo de boro no reacciona con ácidos, álcalis ni la mayoría de los compuestos inorgánicos a temperatura ambiente, y apenas reacciona con oxígeno y halógenos a la misma temperatura. Además, sus propiedades químicas son estables. Asimismo, el polvo de carburo de boro se activa con halógenos como agente de boruración del acero, y el boro se infiltra en la superficie del acero para formar una película de boruro de hierro, lo que mejora la resistencia y la durabilidad del material. Sus propiedades químicas son excelentes.
Todos sabemos que la naturaleza del material determina su uso, así que, ¿en qué aplicaciones el polvo de carburo de boro ofrece un rendimiento excepcional?Los ingenieros del centro de I+D deTecnología de UrbanMines.Co., Ltd. elaboró el siguiente resumen.
Aplicación decarburo de boro
1. El carburo de boro se utiliza como abrasivo de pulido.
La aplicación del carburo de boro como abrasivo se utiliza principalmente para el rectificado y pulido del zafiro. Entre los materiales superduros, la dureza del carburo de boro es superior a la del óxido de aluminio y el carburo de silicio, solo superada por el diamante y el nitruro de boro cúbico. El zafiro es el material de sustrato más ideal para diodos emisores de luz (LED) semiconductores GaN/Al₂O₃, circuitos integrados a gran escala SOI y SOS, y películas nanoestructuradas superconductoras. La suavidad de la superficie es muy alta y debe ser ultrasuave, sin ningún grado de daño. Debido a la alta resistencia y dureza del cristal de zafiro (dureza Mohs 9), ha supuesto grandes dificultades para las empresas de procesamiento.
Desde la perspectiva de los materiales y el pulido, los mejores materiales para procesar y pulir cristales de zafiro son el diamante sintético, el carburo de boro, el carburo de silicio y el dióxido de silicio. La dureza del diamante sintético es demasiado alta (dureza Mohs 10) al pulir la oblea de zafiro, rayará la superficie, afectará la transmitancia de la luz de la oblea y el precio es elevado; después del corte del carburo de silicio, la rugosidad RA suele ser alta y la planitud deficiente; sin embargo, la dureza de la sílice es insuficiente (dureza Mohs 7) y la fuerza de pulido es baja, lo que hace que el proceso de pulido sea lento y laborioso. Por lo tanto, el abrasivo de carburo de boro (dureza Mohs 9.3) se ha convertido en el material más ideal para procesar y pulir cristales de zafiro, y tiene un excelente rendimiento en el pulido de doble cara de obleas de zafiro y en el adelgazamiento y pulido posterior de obleas epitaxiales LED basadas en zafiro.
Cabe mencionar que, cuando el carburo de boro supera los 600 °C, su superficie se oxida formando una película de B₂O₃, lo que lo ablanda en cierta medida. Por ello, no es apto para el rectificado en seco a temperaturas muy elevadas en aplicaciones abrasivas, sino únicamente para el pulido con abrasivos líquidos. Sin embargo, esta propiedad evita que el B₄C se oxide aún más, lo que le confiere ventajas únicas en la aplicación de materiales refractarios.
2. Aplicación en materiales refractarios
El carburo de boro posee propiedades antioxidantes y de alta resistencia a la temperatura. Se utiliza generalmente como material refractario avanzado, tanto moldeado como sin moldear, y tiene una amplia aplicación en diversos campos de la metalurgia, como en la fabricación de estufas de acero y componentes para hornos.
Ante la necesidad de ahorrar energía y reducir el consumo en la industria siderúrgica, así como en la producción de acero con bajo y ultrabajo contenido de carbono, la investigación y el desarrollo de ladrillos de magnesia-carbono con bajo contenido de carbono (generalmente <8% de carbono) y excelente rendimiento han captado cada vez más la atención de las industrias nacionales e internacionales. Actualmente, el rendimiento de estos ladrillos se mejora optimizando la estructura del carbono ligado, la matriz y añadiendo antioxidantes de alta eficacia. Entre ellos, se utiliza carbono grafitizado compuesto de carburo de boro de grado industrial y negro de humo parcialmente grafitizado. El polvo compuesto de negro de humo, empleado como fuente de carbono y antioxidante para los ladrillos de magnesia-carbono, ha demostrado ser eficaz.
Dado que el carburo de boro se ablanda hasta cierto punto a altas temperaturas, puede adherirse a la superficie de partículas de otros materiales. Incluso si el producto se densifica, la película de óxido de B₂O₃ en la superficie puede brindar cierta protección y actuar como antioxidante. Al mismo tiempo, debido a que los cristales columnares generados por la reacción se distribuyen en la matriz y los huecos del material refractario, se reduce la porosidad, se mejora la resistencia a temperaturas medias y se expande el volumen de los cristales generados, lo que puede compensar la contracción volumétrica y reducir las grietas.
3. Materiales antibalas utilizados para mejorar la defensa nacional.
Debido a su alta dureza, alta resistencia, baja gravedad específica y alto nivel de resistencia balística, el carburo de boro está especialmente en línea con la tendencia de materiales antibalas ligeros. Es el mejor material antibalas para la protección de aeronaves, vehículos, blindajes y cuerpos humanos; actualmente,Algunos paísesSe ha propuesto la investigación de blindajes antibalísticos de carburo de boro de bajo coste, con el objetivo de promover el uso a gran escala de este tipo de blindaje en la industria de la defensa.
4. Aplicación en la industria nuclear
El carburo de boro posee una elevada sección transversal de absorción de neutrones y un amplio espectro de energía neutrónica, siendo reconocido internacionalmente como el mejor absorbente de neutrones para la industria nuclear. Entre ellos, la sección térmica del isótopo boro-10 alcanza los 347 × 10⁻²⁴ cm², solo superada por elementos como el gadolinio, el samario y el cadmio, lo que lo convierte en un eficiente absorbente de neutrones térmicos. Además, el carburo de boro es abundante, resistente a la corrosión, posee buena estabilidad térmica, no genera isótopos radiactivos y tiene baja energía de radiación secundaria, por lo que se utiliza ampliamente como material de control y blindaje en reactores nucleares.
Por ejemplo, en la industria nuclear, el reactor de gas de alta temperatura utiliza un sistema de parada con bolas absorbentes de boro como segundo sistema de parada. En caso de accidente, cuando falla el primer sistema de parada, el segundo sistema utiliza una gran cantidad de gránulos de carburo de boro que caen libremente en el canal de la capa reflectante del núcleo del reactor, etc., para apagar el reactor y lograr una parada en frío, donde la bola absorbente es una bola de grafito que contiene carburo de boro. La función principal del núcleo de carburo de boro en el reactor de gas de alta temperatura es controlar la potencia y la seguridad del reactor. El ladrillo de carbono está impregnado con material absorbente de neutrones de carburo de boro, lo que puede reducir la irradiación de neutrones en la vasija de presión del reactor.
Actualmente, los materiales de boruro para reactores nucleares incluyen principalmente los siguientes: carburo de boro (barras de control, barras de blindaje), ácido bórico (moderador, refrigerante), acero al boro (barras de control y materiales de almacenamiento para combustible nuclear y residuos nucleares), boro-europio (material de veneno combustible del núcleo), etc.