बोरॉन कार्बाइड एक धात्विक चमक वाला काला क्रिस्टल है, जिसे काला हीरा भी कहा जाता है, और यह अकार्बनिक अधात्विक पदार्थों की श्रेणी में आता है। आजकल बोरॉन कार्बाइड से हर कोई परिचित है, जिसका कारण शायद बुलेटप्रूफ कवच में इसका उपयोग है, क्योंकि सिरेमिक पदार्थों में इसका घनत्व सबसे कम होता है, इसमें उच्च प्रत्यास्थता मापांक और उच्च कठोरता के गुण होते हैं, और यह सूक्ष्म विखंडन का उपयोग करके प्रक्षेप्य के प्रभाव को अवशोषित कर सकता है, साथ ही भार को यथासंभव कम रखता है। लेकिन वास्तव में, बोरॉन कार्बाइड में कई अन्य अद्वितीय गुण भी हैं, जो इसे अपघर्षक, दुर्दम्य पदार्थ, परमाणु उद्योग, अंतरिक्ष और अन्य क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने में सक्षम बनाते हैं।
के गुणबोरॉन कार्बाइड
भौतिक गुणों की दृष्टि से, बोरोन कार्बाइड की कठोरता हीरे और घन बोरोन नाइट्राइड के बाद दूसरे स्थान पर है, और यह उच्च तापमान पर भी उच्च मजबूती बनाए रख सकता है, जिससे यह एक आदर्श उच्च-तापमान घिसाव-प्रतिरोधी सामग्री बन जाता है। बोरोन कार्बाइड का घनत्व बहुत कम (सैद्धांतिक घनत्व केवल 2.52 ग्राम/सेमी³) है, जो सामान्य सिरेमिक सामग्रियों से हल्का है, और इसका उपयोग एयरोस्पेस क्षेत्र में किया जा सकता है। बोरोन कार्बाइड में न्यूट्रॉन अवशोषण की प्रबल क्षमता, अच्छी तापीय स्थिरता और 2450 डिग्री सेल्सियस का गलनांक होता है, इसलिए इसका व्यापक रूप से परमाणु उद्योग में भी उपयोग किया जाता है। B तत्व मिलाने से न्यूट्रॉन अवशोषण की क्षमता को और बढ़ाया जा सकता है। विशिष्ट आकार और संरचना वाले बोरोन कार्बाइड पदार्थों में विशेष प्रकाशविद्युत गुण भी होते हैं। इसके अलावा, बोरोन कार्बाइड का उच्च गलनांक, उच्च प्रत्यास्थता मापांक, कम विस्तार गुणांक और अच्छी प्रतिरोधकता इसे धातु विज्ञान, रसायन उद्योग, मशीनरी, एयरोस्पेस और सैन्य उद्योग जैसे कई क्षेत्रों में एक संभावित अनुप्रयोग सामग्री बनाती है। उदाहरण के लिए, संक्षारण-प्रतिरोधी और घिसाव-प्रतिरोधी पुर्जे, बुलेटप्रूफ कवच बनाना, रिएक्टर नियंत्रण छड़ें और थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व आदि।
रासायनिक गुणों की दृष्टि से, बोरोन कार्बाइड कमरे के तापमान पर अम्लों, क्षारों और अधिकांश अकार्बनिक यौगिकों के साथ अभिक्रिया नहीं करता है, और ऑक्सीजन तथा हैलोजन गैसों के साथ भी इसकी अभिक्रिया नगण्य होती है, जिससे इसके रासायनिक गुण स्थिर रहते हैं। इसके अतिरिक्त, बोरोन कार्बाइड पाउडर को हैलोजन द्वारा सक्रिय करके इस्पात को बोराइड करने वाले पदार्थ के रूप में प्रयोग किया जाता है, जिससे बोरोन इस्पात की सतह पर समाहित होकर एक लौह बोराइड परत बनाता है। इस प्रकार, पदार्थ की मजबूती और घिसाव प्रतिरोध क्षमता में वृद्धि होती है, और इसके रासायनिक गुण उत्कृष्ट होते हैं।
हम सभी जानते हैं कि सामग्री की प्रकृति ही उसके उपयोग को निर्धारित करती है, तो किन अनुप्रयोगों में बोरोन कार्बाइड पाउडर का प्रदर्शन उत्कृष्ट होता है?अनुसंधान एवं विकास केंद्र के इंजीनियरों नेअर्बनमाइंस टेक.कंपनी लिमिटेड ने निम्नलिखित सारांश प्रस्तुत किया।
आवेदनबोरॉन कार्बाइड
1. बोरॉन कार्बाइड का उपयोग पॉलिशिंग अपघर्षक के रूप में किया जाता है।
अपघर्षक के रूप में बोरॉन कार्बाइड का उपयोग मुख्य रूप से नीलम की पिसाई और पॉलिशिंग के लिए किया जाता है। अति कठोर पदार्थों में, बोरॉन कार्बाइड की कठोरता एल्युमीनियम ऑक्साइड और सिलिकॉन कार्बाइड से बेहतर है, और हीरे और घन बोरॉन नाइट्राइड के बाद दूसरे स्थान पर है। नीलम अर्धचालक GaN/Al₂O₃ प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED), बड़े पैमाने पर एकीकृत परिपथ SOI और SOS, और अतिचालक नैनोसंरचना फिल्मों के लिए सबसे आदर्श आधार सामग्री है। सतह की चिकनाई बहुत उच्च स्तर की होनी चाहिए और किसी भी प्रकार की क्षति नहीं होनी चाहिए। नीलम क्रिस्टल की उच्च शक्ति और उच्च कठोरता (मोह्स कठोरता 9) के कारण, प्रसंस्करण उद्यमों को काफी कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है।
सामग्री और पिसाई के दृष्टिकोण से, नीलम क्रिस्टल के प्रसंस्करण और पिसाई के लिए सर्वोत्तम सामग्रियाँ कृत्रिम हीरा, बोरॉन कार्बाइड, सिलिकॉन कार्बाइड और सिलिकॉन डाइऑक्साइड हैं। कृत्रिम हीरे की कठोरता बहुत अधिक होती है (मोह्स कठोरता 10), नीलम वेफर की पिसाई के दौरान यह सतह को खरोंच देता है, वेफर के प्रकाश संचरण को प्रभावित करता है और इसकी कीमत भी अधिक होती है; सिलिकॉन कार्बाइड को काटने के बाद, आमतौर पर खुरदरापन (RA) अधिक होता है और समतलता कम होती है; हालांकि, सिलिका की कठोरता पर्याप्त नहीं होती (मोह्स कठोरता 7), और पिसाई बल भी कम होता है, जिससे पिसाई की प्रक्रिया समय लेने वाली और श्रमसाध्य हो जाती है। इसलिए, बोरोन कार्बाइड अपघर्षक (मोह्स कठोरता 9.3) नीलम क्रिस्टल के प्रसंस्करण और पीसने के लिए सबसे आदर्श सामग्री बन गया है, और नीलम वेफर्स की दोहरी ग्राइंडिंग और नीलम-आधारित एलईडी एपिटैक्सियल वेफर्स की बैक थिनिंग और पॉलिशिंग में उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है।
यह उल्लेखनीय है कि जब बोरोन कार्बाइड का तापमान 600°C से अधिक होता है, तो इसकी सतह ऑक्सीकृत होकर B2O3 की परत बना लेती है, जिससे यह कुछ हद तक नरम हो जाता है। इसलिए, अपघर्षक अनुप्रयोगों में इसे अत्यधिक उच्च तापमान पर शुष्क पिसाई के लिए उपयुक्त नहीं माना जाता है; यह केवल तरल पिसाई द्वारा पॉलिश करने के लिए ही उपयुक्त है। हालांकि, यह गुण B4C को आगे ऑक्सीकृत होने से रोकता है, जिससे दुर्दम्य पदार्थों के अनुप्रयोग में इसके अद्वितीय लाभ मिलते हैं।
2. दुर्दम्य पदार्थों में अनुप्रयोग
बोरॉन कार्बाइड में ऑक्सीकरण रोधी और उच्च तापमान प्रतिरोधक गुण होते हैं। इसका उपयोग आमतौर पर उन्नत आकारित और आकारहीन दुर्दम्य पदार्थों के रूप में किया जाता है और धातु विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जैसे कि स्टील के चूल्हे और भट्टी के उपकरण।
लौह एवं इस्पात उद्योग और निम्न-कार्बन इस्पात एवं अति-निम्न कार्बन इस्पात के गलाने में ऊर्जा बचत और खपत में कमी की बढ़ती आवश्यकता को देखते हुए, उत्कृष्ट प्रदर्शन वाली निम्न-कार्बन मैग्नीशिया-कार्बन ईंटों (सामान्यतः 8% से कम कार्बन सामग्री) के अनुसंधान एवं विकास ने देश-विदेश के उद्योगों का ध्यान आकर्षित किया है। वर्तमान में, निम्न-कार्बन मैग्नीशिया-कार्बन ईंटों के प्रदर्शन को आम तौर पर बंधित कार्बन संरचना में सुधार, मैग्नीशिया-कार्बन ईंटों की मैट्रिक्स संरचना को अनुकूलित करने और उच्च-दक्षता वाले एंटीऑक्सीडेंट्स को मिलाकर बेहतर बनाया जा रहा है। इनमें से, औद्योगिक श्रेणी के बोरोन कार्बाइड और आंशिक रूप से ग्रेफाइटयुक्त कार्बन ब्लैक से निर्मित ग्रेफाइटयुक्त कार्बन का उपयोग किया जाता है। निम्न-कार्बन मैग्नीशिया-कार्बन ईंटों के लिए कार्बन स्रोत और एंटीऑक्सीडेंट के रूप में उपयोग किए जाने वाले ब्लैक कंपोजिट पाउडर ने अच्छे परिणाम प्राप्त किए हैं।
उच्च तापमान पर बोरॉन कार्बाइड कुछ हद तक नरम हो जाता है, इसलिए यह अन्य पदार्थों के कणों की सतह से चिपक सकता है। उत्पाद के सघन होने पर भी, सतह पर बनी B2O3 ऑक्साइड परत एक निश्चित सुरक्षात्मक परत बनाती है और ऑक्सीकरण रोधी भूमिका निभाती है। साथ ही, अभिक्रिया से उत्पन्न स्तंभनुमा क्रिस्टल दुर्दम्य पदार्थ के मैट्रिक्स और अंतरालों में वितरित हो जाते हैं, जिससे सरंध्रता कम हो जाती है, मध्यम तापमान पर इसकी प्रबलता बढ़ जाती है और उत्पन्न क्रिस्टलों का आयतन बढ़ जाता है, जो आयतन संकुचन को ठीक कर सकता है और दरारों को कम कर सकता है।
3. राष्ट्रीय रक्षा को मजबूत करने के लिए बुलेटप्रूफ सामग्री का उपयोग किया जाता है।
अपनी उच्च कठोरता, उच्च शक्ति, कम विशिष्ट गुरुत्व और उच्च स्तर के बैलिस्टिक प्रतिरोध के कारण, बोरोन कार्बाइड हल्के बुलेटप्रूफ सामग्रियों के चलन के अनुरूप है। यह विमानों, वाहनों, कवच और मानव शरीर की सुरक्षा के लिए सर्वोत्तम बुलेटप्रूफ सामग्री है; वर्तमान में,कुछ देशउन्होंने कम लागत वाले बोरोन कार्बाइड एंटी-बैलिस्टिक कवच अनुसंधान का प्रस्ताव रखा है, जिसका उद्देश्य रक्षा उद्योग में बोरोन कार्बाइड एंटी-बैलिस्टिक कवच के बड़े पैमाने पर उपयोग को बढ़ावा देना है।
4. परमाणु उद्योग में अनुप्रयोग
बोरॉन कार्बाइड में उच्च न्यूट्रॉन अवशोषण अनुप्रस्थ काट और व्यापक न्यूट्रॉन ऊर्जा स्पेक्ट्रम होता है, और इसे परमाणु उद्योग के लिए सर्वश्रेष्ठ न्यूट्रॉन अवशोषक के रूप में अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मान्यता प्राप्त है। इनमें से, बोरॉन-10 समस्थानिक का तापीय अनुप्रस्थ काट 347×10⁻²⁴ cm² जितना उच्च है, जो गैडोलिनियम, समैरियम और कैडमियम जैसे कुछ तत्वों के बाद दूसरे स्थान पर है, और यह एक कुशल तापीय न्यूट्रॉन अवशोषक है। इसके अलावा, बोरॉन कार्बाइड प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है, संक्षारण-प्रतिरोधी है, अच्छी तापीय स्थिरता रखता है, रेडियोधर्मी समस्थानिक उत्पन्न नहीं करता है, और इसकी द्वितीयक किरण ऊर्जा कम होती है, इसलिए बोरॉन कार्बाइड का व्यापक रूप से परमाणु रिएक्टरों में नियंत्रण सामग्री और परिरक्षण सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है।
उदाहरण के लिए, परमाणु उद्योग में, उच्च तापमान वाले गैस-शीतित रिएक्टर में बोरॉन अवशोषक गेंद शटडाउन प्रणाली को द्वितीय शटडाउन प्रणाली के रूप में उपयोग किया जाता है। दुर्घटना की स्थिति में, जब पहली शटडाउन प्रणाली विफल हो जाती है, तो द्वितीय शटडाउन प्रणाली रिएक्टर कोर की परावर्तक परत के चैनल में बड़ी संख्या में बोरॉन कार्बाइड पेलेट्स को मुक्त रूप से गिराकर रिएक्टर को बंद कर देती है और कोल्ड शटडाउन को साकार करती है। इसमें अवशोषक गेंद बोरॉन कार्बाइड युक्त ग्रेफाइट गेंद होती है। उच्च तापमान वाले गैस-शीतित रिएक्टर में बोरॉन कार्बाइड कोर का मुख्य कार्य रिएक्टर की शक्ति और सुरक्षा को नियंत्रित करना है। कार्बन ईंट को बोरॉन कार्बाइड न्यूट्रॉन अवशोषक पदार्थ से लेपित किया जाता है, जो रिएक्टर के दबाव पात्र पर न्यूट्रॉन विकिरण को कम कर सकता है।
वर्तमान में, परमाणु रिएक्टरों के लिए बोराइड सामग्री में मुख्य रूप से निम्नलिखित सामग्रियां शामिल हैं: बोरोन कार्बाइड (नियंत्रण छड़ें, परिरक्षण छड़ें), बोरिक अम्ल (मॉडरेटर, शीतलक), बोरोन स्टील (नियंत्रण छड़ें और परमाणु ईंधन और परमाणु अपशिष्ट के लिए भंडारण सामग्री), बोरोन यूरोपियम (कोर ज्वलनशील विषैला पदार्थ), आदि।