Le carbure de bore est un cristal noir à l'éclat métallique, également appelé diamant noir, appartenant à la famille des matériaux inorganiques non métalliques. De nos jours, le carbure de bore est un matériau bien connu, notamment grâce à son utilisation dans les blindages pare-balles. En effet, il possède la plus faible densité parmi les matériaux céramiques, un module d'élasticité et une dureté élevés, et permet d'exploiter efficacement la microfracture pour absorber l'énergie des projectiles, tout en minimisant la charge. Cependant, le carbure de bore possède bien d'autres propriétés uniques qui lui confèrent un rôle important dans les abrasifs, les matériaux réfractaires, l'industrie nucléaire, l'aérospatiale et d'autres domaines.
Propriétés decarbure de bore
En termes de propriétés physiques, la dureté du carbure de bore n'est surpassée que par celle du diamant et du nitrure de bore cubique. Il conserve une résistance élevée même à haute température, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications à haute température et résistant à l'usure. Sa très faible densité (2,52 g/cm³ théorique), inférieure à celle des céramiques ordinaires, le rend utilisable dans le domaine aérospatial. Doté d'une forte capacité d'absorption des neutrons, d'une bonne stabilité thermique et d'un point de fusion de 2450 °C, le carbure de bore est également largement utilisé dans l'industrie nucléaire. L'ajout de bore permet d'améliorer encore son absorption des neutrons. Les matériaux en carbure de bore présentant une morphologie et une structure spécifiques possèdent également des propriétés photoélectriques particulières. Enfin, son point de fusion élevé, son module d'élasticité élevé, son faible coefficient de dilatation et ses excellentes propriétés en font un matériau prometteur pour de nombreuses applications, telles que la métallurgie, la chimie, la mécanique, l'aérospatiale et l'industrie militaire. Par exemple, des pièces résistantes à la corrosion et à l'usure, utilisées pour la fabrication de blindages pare-balles, de barres de contrôle de réacteurs et d'éléments thermoélectriques, etc.
Du point de vue chimique, le carbure de bore ne réagit pas avec les acides, les bases et la plupart des composés inorganiques à température ambiante, et réagit très peu avec l'oxygène et les halogènes gazeux à température ambiante. Ses propriétés chimiques sont stables. De plus, la poudre de carbure de bore, activée par un halogène, est utilisée comme agent de boruration de l'acier. Le bore s'infiltre à la surface de l'acier pour former un film de borure de fer, ce qui améliore la résistance mécanique et la résistance à l'usure du matériau. Ses propriétés chimiques sont excellentes.
Nous savons tous que la nature du matériau détermine son utilisation, alors dans quelles applications la poudre de carbure de bore offre-t-elle des performances exceptionnelles ?Les ingénieurs du centre de R&D deTechnologie des mines urbaines.La société Co., Ltd. a établi le résumé suivant.
Application decarbure de bore
1. Le carbure de bore est utilisé comme abrasif de polissage.
L'utilisation du carbure de bore comme abrasif est principalement destinée au meulage et au polissage du saphir. Parmi les matériaux superdurs, sa dureté est supérieure à celle de l'oxyde d'aluminium et du carbure de silicium, et n'est surpassée que par le diamant et le nitrure de bore cubique. Le saphir est le substrat idéal pour les diodes électroluminescentes (DEL) semi-conductrices GaN/Al₂O₃, les circuits intégrés à grande échelle SOI et SOS, ainsi que les films nanostructurés supraconducteurs. La surface doit présenter une régularité extrême, sans aucun défaut. La haute résistance et la dureté élevée du cristal de saphir (dureté Mohs de 9) constituent un défi majeur pour les entreprises de transformation.
Du point de vue des matériaux et du meulage, les meilleurs matériaux pour le traitement et le meulage des cristaux de saphir sont le diamant synthétique, le carbure de bore, le carbure de silicium et le dioxyde de silicium. La dureté du diamant artificiel est trop élevée (dureté Mohs 10) pour le meulage des plaquettes de saphir : elle risque de rayer la surface, d'affecter la transmittance lumineuse et son coût est élevé. Après usinage avec du carbure de silicium, la rugosité Ra est généralement élevée et la planéité médiocre. Quant au dioxyde de silicium, sa dureté est insuffisante (dureté Mohs 7) et la force de meulage est faible, ce qui rend le processus long et fastidieux. Par conséquent, l'abrasif en carbure de bore (dureté Mohs 9,3) est devenu le matériau idéal pour le traitement et le meulage des cristaux de saphir. Il offre d'excellentes performances pour le meulage double face des plaquettes de saphir ainsi que pour l'amincissement et le polissage de la face arrière des plaquettes épitaxiales de LED à base de saphir.
Il convient de noter qu'au-delà de 600 °C, la surface du carbure de bore s'oxyde en une couche de B₂O₃, ce qui la ramollit légèrement. De ce fait, elle n'est pas adaptée au meulage à sec à très haute température pour les applications abrasives, mais uniquement au polissage par rectification liquide. Cependant, cette propriété empêche l'oxydation du B₄C, lui conférant des avantages uniques pour les applications de matériaux réfractaires.
2. Application aux matériaux réfractaires
Le carbure de bore possède des propriétés anti-oxydantes et une résistance aux hautes températures. Il est généralement utilisé comme matériau réfractaire de pointe, qu'il soit façonné ou non, et est largement employé dans divers domaines de la métallurgie, notamment pour la fabrication de fours à acier et d'éléments de fours de cuisson.
Face aux impératifs d'économie d'énergie et de réduction de la consommation dans la sidérurgie et la production d'aciers à faible et très faible teneur en carbone, la recherche et le développement de briques magnésie-carbone à faible teneur en carbone (généralement < 8 %) aux performances exceptionnelles suscitent un intérêt croissant tant au niveau national qu'international. Actuellement, l'amélioration des performances de ces briques repose principalement sur le renforcement de la structure carbonée, l'optimisation de la structure matricielle et l'ajout d'antioxydants performants. Parmi ces antioxydants, on utilise notamment du carbone graphitisé composé de carbure de bore de qualité industrielle et de noir de carbone partiellement graphitisé. La poudre composite noire, employée comme source de carbone et antioxydant, a donné d'excellents résultats.
Le carbure de bore, se ramollissant légèrement à haute température, peut adhérer à la surface d'autres particules de matériau. Même après densification du produit, le film d'oxyde de B₂O₃ en surface assure une protection et un effet anti-oxydant. Par ailleurs, la distribution des cristaux colonnaires issus de la réaction dans la matrice et les interstices du matériau réfractaire réduit la porosité, améliore la résistance à température moyenne et augmente le volume des cristaux, compensant ainsi le retrait et limitant la fissuration.
3. Matériaux pare-balles utilisés pour renforcer la défense nationale
Grâce à sa dureté élevée, sa grande résistance, sa faible densité et son haut niveau de résistance balistique, le carbure de bore s'inscrit parfaitement dans la tendance des matériaux pare-balles légers. Il constitue le meilleur matériau pare-balles pour la protection des aéronefs, des véhicules, des blindages et des personnes ; actuellement,Certains paysont proposé des recherches sur un blindage antibalistique à base de carbure de bore à faible coût, dans le but de promouvoir l'utilisation à grande échelle de ce type de blindage dans l'industrie de la défense.
4. Application dans l'industrie nucléaire
Le carbure de bore possède une section efficace d'absorption neutronique élevée et un large spectre d'énergie neutronique, ce qui lui vaut une reconnaissance internationale en tant que meilleur absorbeur de neutrons pour l'industrie nucléaire. Parmi les isotopes du bore-10, la section thermique atteint 347 × 10⁻²⁴ cm², une valeur seulement dépassée par celle de quelques éléments comme le gadolinium, le samarium et le cadmium. Il s'agit d'un absorbeur de neutrons thermiques très efficace. De plus, le carbure de bore est abondant, résistant à la corrosion, possède une bonne stabilité thermique, ne produit pas d'isotopes radioactifs et présente une faible énergie de rayonnement secondaire. C'est pourquoi il est largement utilisé comme matériau de contrôle et de blindage dans les réacteurs nucléaires.
Par exemple, dans l'industrie nucléaire, les réacteurs à gaz à haute température utilisent un système d'arrêt d'urgence par billes absorbantes de bore comme second système d'arrêt. En cas d'accident, lorsque le premier système d'arrêt d'urgence tombe en panne, le second système utilise un grand nombre de billes de carbure de bore qui tombent librement dans le canal de la couche réfléchissante du cœur du réacteur, etc., pour arrêter ce dernier et réaliser un arrêt à froid. Les billes absorbantes sont des billes de graphite contenant du carbure de bore. La fonction principale du cœur en carbure de bore dans les réacteurs à gaz à haute température est de contrôler la puissance et la sûreté du réacteur. La brique de carbone est imprégnée de carbure de bore, un matériau absorbant les neutrons, ce qui permet de réduire l'irradiation neutronique de la cuve du réacteur.
Actuellement, les matériaux borurés pour réacteurs nucléaires comprennent principalement les matériaux suivants : carbure de bore (barres de contrôle, barres de protection), acide borique (modérateur, fluide de refroidissement), acier au bore (barres de contrôle et matériaux de stockage pour le combustible nucléaire et les déchets nucléaires), bore-europium (matériau poison consommable du cœur), etc.