בורון קרביד הוא גביש שחור עם ברק מתכתי, המכונה גם יהלום שחור, השייך לחומרים אנאורגניים לא מתכתיים. כיום, כולם מכירים את חומר הבורון קרביד, שייתכן וניתן להשתמש בו כשריון חסין כדורים, מכיוון שיש לו את הצפיפות הנמוכה ביותר מבין החומרים הקרמיים, יתרונותיו של מודול אלסטיות גבוה וקשיות גבוהה, והוא יכול להשיג ניצול טוב של מיקרו-שברים כדי לספוג קליעים. השפעת האנרגיה, תוך שמירה על עומס נמוך ככל האפשר. אך למעשה, לבורון קרביד יש תכונות ייחודיות רבות אחרות, שיכולות להפוך אותו למלא תפקיד חשוב בחומרי שוחקים, חומרים עקשן, תעשיית הגרעין, תעופה וחלל ותחומים אחרים.
מאפיינים שלבורון קרביד
מבחינת תכונות פיזיקליות, קשיות הבורון קרביד היא רק אחרי יהלום ובורון ניטריד קובי, והוא עדיין יכול לשמור על חוזק גבוה בטמפרטורות גבוהות, מה שיכול לשמש כחומר אידיאלי עמיד בפני שחיקה בטמפרטורה גבוהה; צפיפות הבורון קרביד קטנה מאוד (צפיפות תיאורטית היא רק 2.52 גרם/סמ"ק), קלה יותר מחומרים קרמיים רגילים, וניתן להשתמש בו בתחום התעופה והחלל; לבורון קרביד יכולת ספיגת נויטרונים חזקה, יציבות תרמית טובה ונקודת התכה של 2450 מעלות צלזיוס, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב גם בתעשייה הגרעינית. ניתן לשפר עוד יותר את יכולת ספיגת הנויטרונים של הנויטרונים על ידי הוספת יסודות B; חומרי בורון קרביד בעלי מורפולוגיה ומבנה ספציפיים הם בעלי תכונות פוטואלקטריות מיוחדות; בנוסף, לבורון קרביד נקודת התכה גבוהה, מודול אלסטיות גבוה, מקדם התפשטות נמוך ויתרונות טובים. אלה הופכים אותו לחומר יישום פוטנציאלי בתחומים רבים כגון מטלורגיה, תעשייה כימית, מכונות, תעופה וחלל ותעשייה צבאית. לדוגמה, חלקים עמידים בפני קורוזיה ועמידים בפני שחיקה, ייצור שריון חסין כדורים, מוטות בקרה לכורים ואלמנטים תרמואלקטריים וכו'.
מבחינת תכונות כימיות, בורון קרביד אינו מגיב עם חומצות, בסיסים ורוב התרכובות האנאורגניות בטמפרטורת החדר, וכמעט ואינו מגיב עם חמצן וגזי הלוגן בטמפרטורת החדר, והתכונות הכימיות שלו יציבות. בנוסף, אבקת בורון קרביד מופעלת על ידי הלוגן כחומר בוריד פלדה, ובורון חודר אל פני השטח של הפלדה ויוצר שכבת בוריד ברזל, ובכך משפר את חוזק החומר ועמידותו בפני שחיקה, והתכונות הכימיות שלו מצוינות.
כולנו יודעים שאופי החומר קובע את השימוש, אז באילו יישומים לאבקת בורון קרביד יש ביצועים יוצאי דופן?המהנדסים של מרכז המחקר והפיתוח שלאורבן מיינס טק.חברת בע"מ ערכה את הסיכום הבא.
יישום שלבורון קרביד
1. בורון קרביד משמש כחומר ליטוש
השימוש בבורון קרביד כחומר שוחק משמש בעיקר לטחינה וליטוש של ספיר. מבין החומרים הקשים ביותר, קשיות הבורון קרביד טובה יותר מזו של תחמוצת אלומיניום וסיליקון קרביד, שנייה רק ליהלום ובורון ניטריד קובי. ספיר הוא חומר המצע האידיאלי ביותר עבור דיודות פולטות אור (LED) GaN/Al2O3 מוליכים למחצה, מעגלים משולבים בקנה מידה גדול SOI ו-SOS, וסרטי ננו-מבנה מוליכים-על. החלקות של פני השטח גבוהה מאוד וחייבת להיות חלקה במיוחד ללא דרגת נזק. בשל החוזק הגבוה והקשיות הגבוהה של גביש הספיר (קשיות מוס 9), הוא מביא קשיים גדולים למפעלי עיבוד.
מנקודת מבט של חומרים והשחזה, החומרים הטובים ביותר לעיבוד והשחזה של גבישי ספיר הם יהלום סינתטי, בורון קרביד, סיליקון קרביד וסיליקון דיאוקסיד. קשיות היהלום המלאכותי גבוהה מדי (קשיות מוס 10) וטחינת פרוסת הספיר תגרום לשרוט על פני השטח, להשפיע על העברת האור של הפרוסה והמחיר יקר; לאחר חיתוך סיליקון קרביד, החספוס RA בדרך כלל גבוה והשטוחות ירודה; עם זאת, קשיות הסיליקה אינה מספקת (קשיות מוס 7) וכוח ההשחזה ירוד, דבר שגוזל זמן ועבודה רבה בתהליך ההשחזה. לכן, חומר שיוף בורון קרביד (קשיות מוס 9.3) הפך לחומר האידיאלי ביותר לעיבוד והשחזה של גבישי ספיר, ובעל ביצועים מצוינים בטחינה דו-צדדית של פרוסות ספיר ובדילול וליטוש של פרוסות אפיטקסיאליות מבוססות ספיר.
ראוי לציין שכאשר בורון קרביד בטמפרטורה של מעל 600 מעלות צלזיוס, פני השטח מתחמצנים לשכבת B2O3, אשר תרכך אותם במידה מסוימת, ולכן הם אינם מתאימים לטחינה יבשה בטמפרטורה גבוהה מדי ביישומים שוחקים, אלא רק לליטוש טחינה נוזלית. עם זאת, תכונה זו מונעת חמצון נוסף של B4C, מה שהופך אותו ליתרונות ייחודיים ביישום חומרים עקשן.
2. יישום בחומרים עקשן
לבורון קרביד יש מאפיינים של נוגד חמצון ועמידות בטמפרטורה גבוהה. הוא משמש בדרך כלל כחומרים עקשן מתקדמים בצורת ובצורה לא צורתית ונמצא בשימוש נרחב בתחומים שונים של מטלורגיה, כגון תנורי פלדה ורהיטי כבשן.
עם הצורך בחיסכון באנרגיה והפחתת הצריכה בתעשיית הברזל והפלדה וההתכה של פלדה דלת פחמן ופלדה דלת פחמן במיוחד, המחקר והפיתוח של לבני מגנזיה-פחמן דלות פחמן (בדרך כלל <8% תכולת פחמן) עם ביצועים מצוינים משכו יותר ויותר תשומת לב מצד תעשיות מקומיות וזרות. כיום, ביצועי לבני מגנזיה-פחמן דלות פחמן משופרים בדרך כלל על ידי שיפור מבנה הפחמן המקושר, אופטימיזציה של מבנה המטריצה של לבני מגנזיה-פחמן והוספת נוגדי חמצון יעילים במיוחד. ביניהם, נעשה שימוש בפחמן גרפיט המורכב מבורון קרביד ברמה תעשייתית ופחמן שחור גרפיט חלקית. אבקה מרוכבת שחורה, המשמשת כמקור פחמן ונוגד חמצון ללבני מגנזיה-פחמן דלות פחמן, השיגה תוצאות טובות.
מכיוון שבורון קרביד יתרכך במידה מסוימת בטמפרטורה גבוהה, הוא יכול להיקשר לפני השטח של חלקיקי חומר אחרים. גם אם המוצר צפוף, שכבת תחמוצת B2O3 על פני השטח יכולה ליצור הגנה מסוימת ולמלא תפקיד נוגד חמצון. יחד עם זאת, מכיוון שהגבישים העמודיים הנוצרים על ידי התגובה מפוזרים במטריצה ובפערים של החומר העקשן, הנקבוביות מצטמצמת, חוזק הטמפרטורה הבינונית משתפר, ונפח הגבישים הנוצרים מתרחב, מה שיכול לרפא התכווצות נפחית ולהפחית סדקים.
3. חומרים חסיני כדורים המשמשים לשיפור ההגנה הלאומית
בשל קשיותו הגבוהה, חוזקו הגבוה, משקלו הסגולי הקטן ורמת ההתנגדות הבליסטית הגבוהה שלו, בורון קרביד תואם במיוחד את המגמה של חומרים קלים למניעת כדורים. זהו החומר הטוב ביותר למניעת כדורים להגנה על מטוסים, כלי רכב, שריון וגופי אדם; נכון לעכשיו,חלק מהמדינותהציעו מחקר על שריון אנטי-בליסטי מבורון קרביד בעלות נמוכה, במטרה לקדם שימוש בקנה מידה גדול בשריון אנטי-בליסטי מבורון קרביד בתעשיית הביטחון.
4. יישום בתעשייה הגרעינית
לבורון קרביד חתך רוחב של בליעת נויטרונים גבוה וספקטרום אנרגיית נויטרונים רחב, והוא מוכר בעולם כבולם נויטרונים הטוב ביותר לתעשייה הגרעינית. ביניהם, החתך התרמי של האיזוטופ בורון-10 גבוה עד 347×10-24 סמ"ר, שני רק לכמה יסודות כמו גדוליניום, סמריום וקדמיום, והוא בולם נויטרונים תרמי יעיל. בנוסף, בורון קרביד עשיר במשאבים, עמיד בפני קורוזיה, יציבות תרמית טובה, אינו מייצר איזוטופים רדיואקטיביים ובעל אנרגיית קרינה משנית נמוכה, ולכן בורון קרביד נמצא בשימוש נרחב כחומרי בקרה וחומרי מיגון בכורים גרעיניים.
לדוגמה, בתעשיית הגרעין, כור מקורר גז בטמפרטורה גבוהה משתמש במערכת כיבוי כדורי סופג בורון כמערכת כיבוי שנייה. במקרה של תאונה, כאשר מערכת הכיבוי הראשונה נכשלת, מערכת הכיבוי השנייה משתמשת במספר רב של כדורי בורון קרביד הנפלים חופשי לתוך תעלת השכבה המחזירה אור של ליבת הכור וכו', כדי לכבות את הכור ולבצע כיבוי קר, כאשר הכדור הסופג הוא כדור גרפיט המכיל בורון קרביד. התפקיד העיקרי של ליבת בורון קרביד בכור מקורר גז בטמפרטורה גבוהה הוא לשלוט על ההספק והבטיחות של הכור. לבני הפחמן ספוגות בחומר סופג נויטרונים של בורון קרביד, שיכול להפחית את קרינת הנייטרונים של כלי הלחץ של הכור.
כיום, חומרי בוריד לכורים גרעיניים כוללים בעיקר את החומרים הבאים: בורון קרביד (מוטות בקרה, מוטות מיגון), חומצה בורית (ממתן, נוזל קירור), פלדת בורון (מוטות בקרה וחומרי אחסון לדלק גרעיני ופסולת גרעינית), בורון אירופיום (חומר רעיל הניתן לשריפת ליבה) ועוד.