炭化ホウ素は、金属光沢を持つ黒色の結晶で、ブラックダイヤモンドとも呼ばれ、無機非金属材料に分類されます。現在、炭化ホウ素は防弾装甲への応用により広く知られています。セラミック材料の中で最も密度が低く、高い弾性率と高い硬度という利点を持ち、微細な亀裂を利用して飛翔体を吸収し、エネルギーを吸収しながら、負荷を最小限に抑えることができるためです。しかし実際には、炭化ホウ素には他にも多くの独自の特性があり、研磨材、耐火材料、原子力産業、航空宇宙などの分野で重要な役割を果たしています。
特性炭化ホウ素
物理的特性に関して言えば、炭化ホウ素の硬度はダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素に次ぐものであり、高温でも高い強度を維持できるため、理想的な高温耐摩耗材料として使用できます。炭化ホウ素の密度は非常に小さく（理論密度はわずか2.52 g/cm3）、通常のセラミック材料よりも軽量であるため、航空宇宙分野で使用できます。炭化ホウ素は中性子吸収能力が強く、熱安定性が良好で、融点が2450℃であるため、原子力産業でも広く使用されています。中性子の吸収能力は、B元素を添加することでさらに向上させることができます。特定の形態と構造を持つ炭化ホウ素材料は、特別な光電特性も持っています。さらに、炭化ホウ素は高い融点、高い弾性率、低い膨張係数、良好な特性を備えているため、冶金、化学工業、機械、航空宇宙、軍事産業など多くの分野で応用可能な材料となっています。例えば、耐腐食性・耐摩耗性部品、防弾装甲、原子炉制御棒、熱電素子などの製造に用いられる。
化学的性質に関して言えば、炭化ホウ素は室温では酸、アルカリ、ほとんどの無機化合物と反応せず、酸素やハロゲンガスともほとんど反応しないため、化学的性質が安定しています。さらに、炭化ホウ素粉末はハロゲンによって活性化され、鋼のホウ化剤として用いられます。鋼の表面にホウ素が浸透して鉄ホウ化物皮膜を形成することで、材料の強度と耐摩耗性が向上し、優れた化学的性質を発揮します。
材料の性質によって用途が決まるということは周知の事実ですが、炭化ホウ素粉末はどのような用途で優れた性能を発揮するのでしょうか？研究開発センターのエンジニアアーバンマインズ・テック株式会社は以下の要約を作成しました。
適用炭化ホウ素
1. 炭化ホウ素は研磨剤として使用される。
炭化ホウ素を研磨剤として用いる用途は、主にサファイアの研削と研磨に使用されます。超硬材料の中で、炭化ホウ素の硬度は酸化アルミニウムや炭化ケイ素よりも高く、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素に次ぐものです。サファイアは、半導体GaN/Al2O3発光ダイオード（LED）、大規模集積回路SOIおよびSOS、超伝導ナノ構造膜の最も理想的な基板材料です。表面の平滑度は非常に高く、超平滑で損傷が全くないことが求められます。サファイア結晶は強度と硬度が高いため（モース硬度9）、加工企業にとって大きな困難をもたらしています。
材料と研削の観点から、サファイア結晶の加工と研削に最適な材料は、合成ダイヤモンド、炭化ホウ素、炭化ケイ素、二酸化ケイ素です。人工ダイヤモンドは硬度が高すぎるため（モース硬度10）、サファイアウェハを研削すると表面に傷がつき、ウェハの光透過率に影響を与え、価格も高くなります。炭化ケイ素を切削すると、通常、粗さRAが高く、平面度が悪くなります。しかし、シリカは硬度が不十分（モース硬度7）で、研削力が弱く、研削工程で時間と労力がかかります。そのため、炭化ホウ素研磨材（モース硬度9.3）がサファイア結晶の加工と研削に最も理想的な材料となり、サファイアウェハの両面研削や、サファイアベースのLEDエピタキシャルウェハの裏面薄化および研磨において優れた性能を発揮します。
特筆すべきは、炭化ホウ素は600℃を超えると表面が酸化されてB2O3膜を形成し、ある程度軟化するため、研磨用途において高温での乾式研削には適さず、液研削研磨にのみ適している点である。しかしながら、この特性によりB4Cはそれ以上酸化されないため、耐火材料への応用において独自の利点を発揮する。
2. 耐火材料への応用
炭化ホウ素は、耐酸化性と耐高温性という特性を有しています。一般的に、成形および非成形の高性能耐火材料として用いられ、製鉄用ストーブや窯炉などの冶金分野の様々な用途で広く利用されています。
鉄鋼業界における省エネルギーと消費削減のニーズ、および低炭素鋼や超低炭素鋼の製錬に伴い、優れた性能を持つ低炭素マグネシアカーボンレンガ（一般的に炭素含有量8%未満）の研究開発が国内外の産業界からますます注目を集めている。現在、低炭素マグネシアカーボンレンガの性能は、一般的に結合炭素構造の改善、マグネシアカーボンレンガのマトリックス構造の最適化、および高効率酸化防止剤の添加によって向上している。中でも、工業用炭化ホウ素と部分的に黒鉛化したカーボンブラックからなる黒鉛化炭素が、低炭素マグネシアカーボンレンガの炭素源および酸化防止剤として使用され、良好な結果を得ている。
炭化ホウ素は高温である程度軟化するため、他の材料粒子の表面に付着することができます。製品が緻密化されても、表面のB2O3酸化膜は一定の保護層を形成し、抗酸化作用を発揮します。同時に、反応によって生成された柱状結晶が耐火材料のマトリックスや隙間に分布するため、気孔率が低下し、中温強度が向上し、生成された結晶の体積が膨張することで、体積収縮を修復し、亀裂を低減することができます。
3. 国防力強化に用いられる防弾素材
炭化ホウ素は、その高い硬度、高い強度、低い比重、および高い弾道抵抗により、軽量防弾材料のトレンドに特に合致しています。航空機、車両、装甲、および人体を保護するための最高の防弾材料であり、現在、一部の国防衛産業における炭化ホウ素製防弾装甲の大規模利用を促進することを目的として、低コストの炭化ホウ素製防弾装甲の研究を提案した。
4. 原子力産業における応用
炭化ホウ素は高い中性子吸収断面積と広い中性子エネルギー範囲を有し、原子力産業において国際的に最も優れた中性子吸収材として認められています。中でも、ホウ素10同位体の熱中性子吸収断面積は347×10⁻²⁴ cm²と非常に高く、ガドリニウム、サマリウム、カドミウムなどの数少ない元素に次ぐ値であり、効率的な熱中性子吸収材です。さらに、炭化ホウ素は資源が豊富で、耐腐食性、優れた熱安定性を持ち、放射性同位体を生成せず、二次中性子エネルギーも低いため、原子炉の制御材や遮蔽材として広く利用されています。
例えば、原子力産業では、高温ガス炉において、第2停止システムとしてホウ素吸収球停止システムが用いられています。事故発生時、第1停止システムが故障した場合、第2停止システムは、多数の炭化ホウ素ペレットを原子炉炉心の反射層の通路などに自由落下させることで原子炉を停止させ、冷間停止を実現します。ここで、吸収球は炭化ホウ素を含む黒鉛球です。高温ガス炉における炭化ホウ素炉心の主な機能は、原子炉の出力と安全性を制御することです。炭素レンガには炭化ホウ素中性子吸収材が含浸されており、原子炉圧力容器への中性子照射を低減することができます。
現在、原子炉用ホウ化物材料は主に以下の材料を含む：炭化ホウ素（制御棒、遮蔽棒）、ホウ酸（減速材、冷却材）、ホウ素鋼（制御棒、核燃料および核廃棄物の貯蔵材料）、ホウ素ユーロピウム（炉心可燃性毒物）など。