Il carburo di boro è un cristallo nero con lucentezza metallica, noto anche come diamante nero, che appartiene alla categoria dei materiali inorganici non metallici. Attualmente, il carburo di boro è un materiale molto conosciuto, probabilmente grazie al suo impiego nelle armature antiproiettile, poiché possiede la densità più bassa tra i materiali ceramici, un elevato modulo elastico e un'elevata durezza, che gli consentono di sfruttare efficacemente le microfratture per assorbire l'energia dei proiettili, mantenendo al contempo il carico d'impatto al minimo. Tuttavia, il carburo di boro possiede molte altre proprietà uniche, che gli conferiscono un ruolo importante in diversi settori, tra cui abrasivi, materiali refrattari, industria nucleare, aerospaziale e altri ancora.
Proprietà dicarburo di boro
In termini di proprietà fisiche, la durezza del carburo di boro è seconda solo a quella del diamante e del nitruro di boro cubico, e può ancora mantenere un'elevata resistenza alle alte temperature, il che lo rende un materiale ideale resistente all'usura ad alta temperatura; la densità del carburo di boro è molto bassa (la densità teorica è di soli 2,52 g/cm³), più leggera dei normali materiali ceramici, e può essere utilizzata nel settore aerospaziale; il carburo di boro ha una forte capacità di assorbimento dei neutroni, una buona stabilità termica e un punto di fusione di 2450 °C, quindi è anche ampiamente utilizzato nell'industria nucleare. La capacità di assorbimento dei neutroni può essere ulteriormente migliorata aggiungendo elementi di boro; i materiali di carburo di boro con morfologia e struttura specifiche hanno anche speciali proprietà fotoelettriche; inoltre, il carburo di boro ha un alto punto di fusione, un alto modulo elastico, un basso coefficiente di espansione e una buona stabilità. Questi vantaggi lo rendono un potenziale materiale applicativo in molti campi come la metallurgia, l'industria chimica, la meccanica, l'industria aerospaziale e militare. Ad esempio, componenti resistenti alla corrosione e all'usura, la produzione di giubbotti antiproiettile, barre di controllo per reattori ed elementi termoelettrici, ecc.
In termini di proprietà chimiche, il carburo di boro non reagisce con acidi, alcali e la maggior parte dei composti inorganici a temperatura ambiente, e reagisce a malapena con ossigeno e gas alogeni a temperatura ambiente, mantenendo quindi proprietà chimiche stabili. Inoltre, la polvere di carburo di boro, attivata dagli alogeni, funge da agente borurante per l'acciaio, infiltrandosi sulla superficie dell'acciaio per formare una pellicola di boruro di ferro, migliorando così la resistenza e la resistenza all'usura del materiale, e presenta eccellenti proprietà chimiche.
Sappiamo tutti che la natura del materiale ne determina l'utilizzo, quindi in quali applicazioni la polvere di carburo di boro offre prestazioni eccezionali?Gli ingegneri del centro di ricerca e sviluppo diUrbanMines Tech.La Co., Ltd. ha redatto il seguente riassunto.
Applicazione dicarburo di boro
1. Il carburo di boro viene utilizzato come abrasivo per la lucidatura.
L'impiego del carburo di boro come abrasivo è principalmente legato alla molatura e alla lucidatura dello zaffiro. Tra i materiali superduri, la durezza del carburo di boro è superiore a quella dell'ossido di alluminio e del carburo di silicio, seconda solo a quella del diamante e del nitruro di boro cubico. Lo zaffiro è il substrato ideale per i diodi a emissione di luce (LED) GaN/Al₂O₃, i circuiti integrati su larga scala SOI e SOS e i film superconduttori nanostrutturati. La levigatezza della superficie è estremamente elevata e deve essere impeccabile, senza alcun grado di danneggiamento. Tuttavia, l'elevata resistenza e durezza del cristallo di zaffiro (durezza Mohs 9) hanno rappresentato una sfida non indifferente per le aziende che si occupano della sua lavorazione.
Dal punto di vista dei materiali e della rettifica, i materiali migliori per la lavorazione e la rettifica dei cristalli di zaffiro sono il diamante sintetico, il carburo di boro, il carburo di silicio e il biossido di silicio. La durezza del diamante artificiale è troppo elevata (durezza Mohs 10) e, durante la rettifica del wafer di zaffiro, può graffiarne la superficie, compromettendo la trasmissione della luce, oltre ad avere un costo elevato; il carburo di silicio, dopo il taglio, presenta solitamente un'elevata rugosità superficiale (RA) e una scarsa planarità; la silice, invece, ha una durezza insufficiente (durezza Mohs 7) e una forza di rettifica limitata, il che rende il processo di rettifica lungo e laborioso. Pertanto, l'abrasivo in carburo di boro (durezza Mohs 9,3) si è affermato come il materiale ideale per la lavorazione e la rettifica dei cristalli di zaffiro, offrendo prestazioni eccellenti nella rettifica su entrambi i lati dei wafer di zaffiro e nell'assottigliamento e lucidatura posteriore dei wafer epitassiali a LED a base di zaffiro.
È opportuno precisare che, quando il carburo di boro si trova al di sopra dei 600 °C, la sua superficie si ossida formando una pellicola di B2O3, che lo ammorbidisce in una certa misura; pertanto, non è adatto alla rettifica a secco ad alte temperature in applicazioni abrasive, ma solo alla lucidatura con smerigliatrice liquida. Tuttavia, questa proprietà impedisce al B4C di ossidarsi ulteriormente, conferendogli vantaggi unici nell'applicazione come materiale refrattario.
2. Applicazione nei materiali refrattari
Il carburo di boro possiede caratteristiche di resistenza all'ossidazione e alle alte temperature. Viene generalmente utilizzato come materiale refrattario avanzato, sia sagomato che non sagomato, ed è ampiamente impiegato in diversi settori della metallurgia, come ad esempio nelle stufe in acciaio e negli accessori per forni.
Con la crescente necessità di risparmio energetico e riduzione dei consumi nell'industria siderurgica e nella produzione di acciaio a basso e bassissimo tenore di carbonio, la ricerca e lo sviluppo di mattoni di magnesio-carbonio a basso tenore di carbonio (generalmente con un contenuto di carbonio inferiore all'8%) dalle prestazioni eccellenti hanno attirato sempre maggiore attenzione da parte delle industrie nazionali ed estere. Attualmente, le prestazioni dei mattoni di magnesio-carbonio a basso tenore di carbonio vengono generalmente migliorate ottimizzando la struttura del carbonio legato, la struttura della matrice e aggiungendo antiossidanti ad alta efficienza. Tra questi, si utilizza il carbonio grafitizzato, composto da carburo di boro di grado industriale e nerofumo parzialmente grafitizzato. La polvere composita nera, utilizzata come fonte di carbonio e antiossidante per i mattoni di magnesio-carbonio a basso tenore di carbonio, ha ottenuto buoni risultati.
Poiché il carburo di boro si ammorbidisce in una certa misura ad alte temperature, può aderire alla superficie di altre particelle di materiale. Anche se il prodotto è densificato, il film di ossido di B2O3 sulla superficie può formare una certa protezione e svolgere una funzione antiossidante. Allo stesso tempo, poiché i cristalli colonnari generati dalla reazione sono distribuiti nella matrice e negli interstizi del materiale refrattario, la porosità si riduce, la resistenza alle medie temperature migliora e il volume dei cristalli generati si espande, il che può riparare il ritiro volumetrico e ridurre le crepe.
3. Materiali antiproiettile utilizzati per rafforzare la difesa nazionale
Grazie alla sua elevata durezza, elevata resistenza, basso peso specifico e alto livello di resistenza balistica, il carburo di boro è particolarmente in linea con la tendenza dei materiali antiproiettile leggeri. È il miglior materiale antiproiettile per la protezione di aerei, veicoli, armature e corpi umani; attualmente,Alcuni paesihanno proposto una ricerca a basso costo sulle armature antibalistiche in carburo di boro, con l'obiettivo di promuovere l'uso su larga scala di tali armature nell'industria della difesa.
4. Applicazione nell'industria nucleare
Il carburo di boro possiede un'elevata sezione d'urto di assorbimento neutronico e un ampio spettro energetico dei neutroni, ed è internazionalmente riconosciuto come il miglior assorbitore di neutroni per l'industria nucleare. Tra questi, la sezione termica dell'isotopo boro-10 raggiunge i 347×10⁻²⁴ cm², seconda solo a pochi elementi come gadolinio, samario e cadmio, risultando un efficiente assorbitore di neutroni termici. Inoltre, il carburo di boro è abbondante, resistente alla corrosione, presenta una buona stabilità termica, non produce isotopi radioattivi e ha una bassa energia di raggi secondari; per questo motivo, è ampiamente utilizzato come materiale di controllo e di schermatura nei reattori nucleari.
Ad esempio, nell'industria nucleare, il reattore a gas ad alta temperatura utilizza un sistema di arresto con sfere assorbenti di boro come secondo sistema di arresto. In caso di incidente, quando il primo sistema di arresto fallisce, il secondo sistema di arresto utilizza un gran numero di pellet di carburo di boro che cadono liberamente nel canale dello strato riflettente del nocciolo del reattore, ecc., per arrestare il reattore e realizzare l'arresto a freddo, dove la sfera assorbente è una sfera di grafite contenente carburo di boro. La funzione principale del nocciolo di carburo di boro nel reattore a gas ad alta temperatura è quella di controllare la potenza e la sicurezza del reattore. Il mattone di carbonio è impregnato con materiale assorbente di neutroni a base di carburo di boro, che può ridurre l'irraggiamento neutronico del recipiente a pressione del reattore.
Attualmente, i materiali a base di boruro utilizzati nei reattori nucleari comprendono principalmente i seguenti materiali: carburo di boro (barre di controllo, barre di schermatura), acido borico (moderatore, refrigerante), acciaio al boro (barre di controllo e materiali di stoccaggio per combustibile nucleare e scorie nucleari), boro-europio (materiale velenoso per il nocciolo), ecc.