Boron karbida adalah kristal hitam dengan kilap metalik, juga dikenal sebagai berlian hitam, yang termasuk dalam material non-logam anorganik. Saat ini, semua orang sudah familiar dengan material boron karbida, mungkin karena aplikasinya pada pelindung anti peluru, karena memiliki kepadatan terendah di antara material keramik, memiliki keunggulan modulus elastisitas tinggi dan kekerasan tinggi, serta dapat memanfaatkan retakan mikro dengan baik untuk menyerap energi proyektil, sambil menjaga beban serendah mungkin. Namun sebenarnya, boron karbida memiliki banyak sifat unik lainnya, yang dapat membuatnya memainkan peran penting dalam bahan abrasif, material tahan api, industri nuklir, kedirgantaraan, dan bidang lainnya.
Sifat-sifatboron karbida
Dari segi sifat fisik, kekerasan boron karbida hanya berada di bawah intan dan boron nitrida kubik, dan masih dapat mempertahankan kekuatan tinggi pada suhu tinggi, sehingga dapat digunakan sebagai material tahan aus suhu tinggi yang ideal; densitas boron karbida sangat kecil (densitas teoritis hanya 2,52 g/cm³), lebih ringan daripada material keramik biasa, dan dapat digunakan di bidang kedirgantaraan; boron karbida memiliki kemampuan penyerapan neutron yang kuat, stabilitas termal yang baik, dan titik leleh 2450 °C, sehingga juga banyak digunakan dalam industri nuklir. Kemampuan penyerapan neutron dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menambahkan unsur B; material boron karbida dengan morfologi dan struktur spesifik juga memiliki sifat fotolistrik khusus; selain itu, boron karbida memiliki titik leleh tinggi, modulus elastisitas tinggi, koefisien ekspansi rendah, dan keunggulan-keunggulan ini menjadikannya material aplikasi potensial di banyak bidang seperti metalurgi, industri kimia, permesinan, kedirgantaraan, dan industri militer. Sebagai contoh, komponen tahan korosi dan tahan aus, pembuatan baju besi anti peluru, batang kendali reaktor, dan elemen termoelektrik, dll.
Dari segi sifat kimia, boron karbida tidak bereaksi dengan asam, alkali, dan sebagian besar senyawa anorganik pada suhu kamar, dan hampir tidak bereaksi dengan oksigen dan gas halogen pada suhu kamar, serta sifat kimianya stabil. Selain itu, bubuk boron karbida diaktifkan oleh halogen sebagai agen boridasi baja, dan boron meresap ke permukaan baja untuk membentuk lapisan borida besi, sehingga meningkatkan kekuatan dan ketahanan aus material, dan sifat kimianya sangat baik.
Kita semua tahu bahwa sifat material menentukan penggunaannya, jadi dalam aplikasi apa bubuk boron karbida memiliki kinerja yang luar biasa?Para insinyur dari pusat penelitian dan pengembanganUrbanMines Tech.Co., Ltd. membuat ringkasan berikut.
Penerapanboron karbida
1. Boron karbida digunakan sebagai bahan abrasif pemoles.
Penggunaan boron karbida sebagai bahan abrasif terutama digunakan untuk penggerindaan dan pemolesan safir. Di antara material superkeras, kekerasan boron karbida lebih baik daripada aluminium oksida dan silikon karbida, hanya kalah dari intan dan boron nitrida kubik. Safir adalah material substrat yang paling ideal untuk dioda pemancar cahaya (LED) semikonduktor GaN/Al2O3, sirkuit terpadu skala besar SOI dan SO2, dan film nanostruktur superkonduktor. Kehalusan permukaannya sangat tinggi dan harus sangat halus tanpa kerusakan sedikit pun. Karena kekuatan dan kekerasan kristal safir yang tinggi (kekerasan Mohs 9), hal ini menimbulkan kesulitan besar bagi perusahaan pengolahan.
Dari perspektif material dan penggerindaan, material terbaik untuk pemrosesan dan penggerindaan kristal safir adalah intan sintetis, boron karbida, silikon karbida, dan silikon dioksida. Kekerasan intan buatan terlalu tinggi (kekerasan Mohs 10) sehingga saat menggerinda wafer safir, akan menggores permukaan, memengaruhi transmisi cahaya wafer, dan harganya mahal; setelah memotong dengan silikon karbida, kekasaran RA biasanya tinggi dan kerataannya buruk; Namun, kekerasan silika tidak cukup (kekerasan Mohs 7), dan gaya penggerindaannya buruk, yang memakan waktu dan tenaga dalam proses penggerindaan. Oleh karena itu, abrasif boron karbida (kekerasan Mohs 9,3) telah menjadi material paling ideal untuk pemrosesan dan penggerindaan kristal safir, dan memiliki kinerja yang sangat baik dalam penggerindaan dua sisi wafer safir dan penipisan serta pemolesan bagian belakang wafer epitaksial LED berbasis safir.
Perlu disebutkan bahwa ketika boron karbida berada di atas 600 °C, permukaannya akan teroksidasi menjadi lapisan B2O3, yang akan melunakkannya sampai batas tertentu, sehingga tidak cocok untuk penggerindaan kering pada suhu yang terlalu tinggi dalam aplikasi abrasif, hanya cocok untuk pemolesan dengan penggerindaan cair. Namun, sifat ini mencegah B4C teroksidasi lebih lanjut, sehingga memiliki keunggulan unik dalam aplikasi material tahan api.
2. Aplikasi pada material tahan api
Boron karbida memiliki karakteristik anti-oksidasi dan ketahanan suhu tinggi. Secara umum digunakan sebagai material refraktori canggih yang dibentuk maupun tidak dibentuk, dan banyak digunakan di berbagai bidang metalurgi, seperti tungku baja dan perlengkapan kiln.
Dengan kebutuhan penghematan energi dan pengurangan konsumsi di industri besi dan baja serta peleburan baja karbon rendah dan baja karbon ultra-rendah, penelitian dan pengembangan bata magnesia-karbon karbon rendah (umumnya kandungan karbon <8%) dengan kinerja yang sangat baik telah menarik semakin banyak perhatian dari industri dalam dan luar negeri. Saat ini, kinerja bata magnesia-karbon karbon rendah umumnya ditingkatkan dengan memperbaiki struktur karbon terikat, mengoptimalkan struktur matriks bata magnesia-karbon, dan menambahkan antioksidan berefisiensi tinggi. Di antaranya, karbon tergrafitisasi yang terdiri dari boron karbida kelas industri dan sebagian karbon hitam tergrafitisasi digunakan. Bubuk komposit hitam, yang digunakan sebagai sumber karbon dan antioksidan untuk bata magnesia-karbon karbon rendah, telah mencapai hasil yang baik.
Karena boron karbida akan melunak sampai batas tertentu pada suhu tinggi, ia dapat menempel pada permukaan partikel material lain. Bahkan jika produk tersebut dipadatkan, lapisan oksida B2O3 pada permukaan dapat membentuk perlindungan tertentu dan berperan sebagai anti-oksidasi. Pada saat yang sama, karena kristal kolumnar yang dihasilkan oleh reaksi didistribusikan dalam matriks dan celah material refraktori, porositas berkurang, kekuatan suhu menengah meningkat, dan volume kristal yang dihasilkan mengembang, yang dapat memperbaiki penyusutan volume dan mengurangi retakan.
3. Bahan anti peluru digunakan untuk meningkatkan pertahanan nasional
Karena kekerasannya yang tinggi, kekuatan yang tinggi, berat jenis yang kecil, dan tingkat ketahanan balistik yang tinggi, boron karbida sangat sesuai dengan tren material antipeluru ringan. Ini adalah material antipeluru terbaik untuk perlindungan pesawat terbang, kendaraan, baju besi, dan tubuh manusia; saat ini,Beberapa negaratelah mengusulkan penelitian tentang pelindung anti-balistik berbahan boron karbida berbiaya rendah, dengan tujuan untuk mempromosikan penggunaan pelindung anti-balistik boron karbida secara besar-besaran di industri pertahanan.
4. Penerapan dalam industri nuklir
Boron karbida memiliki penampang serapan neutron yang tinggi dan spektrum energi neutron yang luas, dan diakui secara internasional sebagai penyerap neutron terbaik untuk industri nuklir. Di antara isotop boron-10, penampang termalnya mencapai 347×10⁻²⁴ cm², hanya kalah dari beberapa unsur seperti gadolinium, samarium, dan kadmium, dan merupakan penyerap neutron termal yang efisien. Selain itu, boron karbida kaya akan sumber daya, tahan korosi, memiliki stabilitas termal yang baik, tidak menghasilkan isotop radioaktif, dan memiliki energi sinar sekunder yang rendah, sehingga boron karbida banyak digunakan sebagai bahan pengendali dan bahan pelindung dalam reaktor nuklir.
Sebagai contoh, dalam industri nuklir, reaktor berpendingin gas suhu tinggi menggunakan sistem penghentian bola penyerap boron sebagai sistem penghentian kedua. Jika terjadi kecelakaan, ketika sistem penghentian pertama gagal, sistem penghentian kedua menggunakan sejumlah besar pelet boron karbida yang jatuh bebas ke dalam saluran lapisan reflektif inti reaktor, dan lain-lain, untuk mematikan reaktor dan mewujudkan penghentian dingin, di mana bola penyerapnya adalah bola grafit yang mengandung boron karbida. Fungsi utama inti boron karbida dalam reaktor berpendingin gas suhu tinggi adalah untuk mengontrol daya dan keamanan reaktor. Batu bata karbon diresapi dengan bahan penyerap neutron boron karbida, yang dapat mengurangi radiasi neutron pada bejana tekan reaktor.
Saat ini, material borida untuk reaktor nuklir terutama meliputi material-material berikut: boron karbida (batang kendali, batang pelindung), asam borat (moderator, pendingin), baja boron (batang kendali dan material penyimpanan bahan bakar nuklir dan limbah nuklir), boron Europium (material racun yang dapat terbakar di inti reaktor), dan lain sebagainya.