炭化ホウ素は金属光沢のある黒色の結晶で、ブラックダイヤモンドとも呼ばれ、非金属の無機材料に属します。現在、炭化ホウ素の材料は誰もがよく知っています。これは、セラミック材料の中で最も密度が低く、高弾性率と高硬度という利点があり、良好な用途を達成できるため、防弾装甲の用途によるものと考えられます。発射体を吸収するための微小破壊。負荷を最小限に抑えながらエネルギー効果を発揮します。しかし実際には、炭化ホウ素には他にも多くのユニークな特性があり、研磨材、耐火物、原子力産業、航空宇宙などの分野で重要な役割を果たすことができます。
の特性炭化ホウ素
物理的特性の点では、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ぎ、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性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く、航空宇宙分野で使用できます。炭化ホウ素は、強力な中性子吸収能力、優れた熱安定性、融点が 2450 °C 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します。特定の形態と構造を持つ炭化ホウ素材料は、特別な光電特性も備えています。さらに、炭化ホウ素は融点が高く、弾性率が高く、膨張係数が低く、優れた特性を持っています。これらの利点により、冶金、化学産業、機械、航空宇宙、軍事産業などの多くの分野で潜在的な応用材料となっています。たとえば、耐食性および耐摩耗性の部品、防弾装甲の製造、原子炉制御棒、熱電素子などです。
化学的性質としては、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室温ではほとんど反応せず、化学的性質が安定しています。また、炭化ホウ素粉末は鋼のホウ化剤としてハロゲンにより活性化され、鋼の表面にホウ素が浸透してホウ化鉄の皮膜を形成し、材料の強度や耐摩耗性が向上し、化学的性質も優れています。
材料の性質によって用途が決まることは誰もが知っていますが、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?の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。株式会社は以下のとおり概要をまとめました。
の適用炭化ホウ素
1. 研磨砥粒として炭化ホウ素を使用
炭化ホウ素の研磨材としての用途は、主にサファイアの研削および研磨に使用されます。超硬材料の中でも、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優れており、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素に次ぎます。サファイアは、半導体 GaN/Al 2 O3 発光ダイオード (LED)、大規模集積回路 SOI および SOS、および超伝導ナノ構造膜にとって最も理想的な基板材料です。表面の平滑度は非常に高く、超平滑でなければなりません。損傷の程度はありません。サファイア結晶の高強度と高硬度（モース硬度 9）により、加工企業に大きな困難をもたらしてきました。
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。人工ダイヤモンドの硬度は、サファイアウェーハを研削する際に高すぎる（モース硬度10）ため、表面に傷がつき、ウェーハの光透過率に影響を及ぼし、価格も高価です。炭化ケイ素を切断した後、粗さ RA は通常高く、平坦度は劣ります。しかし、シリカの硬度が十分ではなく（モース硬度7）、研削力が弱いため、研削工程に時間と労力がかかります。そのため、炭化ホウ素砥粒（モース硬度9.3）はサファイア結晶の加工・研削に最も理想的な材質となっており、サファイアウェー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ーハの裏面薄化・研磨に優れた性能を発揮します。
炭化ホウ素が 600 °C を超えると、表面が酸化して B2O3 膜になり、ある程度柔らかくなります。そのため、研磨用途での高すぎる温度での乾式研削には適していません。研削液研磨用。ただし、この特性により B4C のさらなる酸化が防止され、耐火材料の用途において独自の利点が得られます。
2. 耐火物への応用
炭化ホウ素は、酸化防止と高温耐性の特性を持っています。一般に、高度な成形および不成形耐火材料として使用され、鋼製ストーブや窯の家具などの冶金学のさまざまな分野で広く使用されています。
鉄鋼業界および低炭素鋼および極低炭素鋼の製錬におけるエネルギーの節約と消費量の削減のニーズに伴い、低炭素マグネシア炭素レンガ（一般に炭素含有量が 8% 未満）の研究開発が行われています。優れた性能を発揮し、国内外の産業界からますます注目を集めています。現在、低炭素マグネシアカーボンれんがの性能は一般に、結合炭素構造の改善、マグネシアカーボンれんがのマトリックス構造の最適化、および高効率の酸化防止剤の添加によって改善されています。中でも、工業グレードの炭化ホウ素と部分黒鉛化カーボンブラックからなる黒鉛化炭素が使用される。黒色複合粉末は、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、良好な結果を達成しています。
炭化ホウ素は高温になるとある程度軟化するため、他の材料粒子の表面に付着させることができます。製品が緻密化しても、表面のB2O3酸化膜が一定の保護を形成し、酸化防止の役割を果たします。同時に、反応により生成した柱状結晶が耐火物の母相や隙間に分布するため、気孔率が減少し、中温強度が向上し、生成した結晶の体積が膨張して体積を修復することができます。収縮し、ひび割れを軽減します。
3. 国防強化に使用される防弾材料
炭化ホウ素は、その高硬度、高強度、小さな比重、および高レベルの耐弾道性により、特に軽量防弾材料のトレンドに沿っています。航空機、車両、装甲、人体の保護に最適な防弾素材です。現在、一部の国は、防衛産業における炭化ホウ素対弾道装甲の大規模な使用を促進することを目的として、低コストの炭化ホウ素対弾道装甲の研究を提案しました。
4. 原子力産業への応用
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スペクトルを備えており、原子力産業にとって最良の中性子吸収材として国際的に認められています。その中でも、ホウ素 10 同位体の熱断面積は 347 × 10-24 cm2 と大きく、ガドリニウム、サマリウム、カドミウムなどのいくつかの元素に次いで 2 番目であり、効率的な熱中性子吸収体です。また、炭化ホウ素は資源が豊富で、耐食性があり、熱安定性が良く、放射性同位体を生成せず、二次線エネルギーが低いため、原子炉の制御材や遮蔽材として広く使用されています。
例えば、原子力産業では、高温ガス冷却炉は、第 2 停止システムとしてホウ素吸収ボール停止システムを使用しています。事故が発生し、第一停止系が故障した場合、第二停止系は大量の炭化ホウ素ペレットを炉心の反射層の溝などに自由落下させて原子炉を停止し、冷却を実現する。吸収ボールは炭化ホウ素を含むグラファイトボールである。高温ガス冷却反応器における炭化ホウ素コアの主な機能は、反応器の出力と安全性を制御することです。カーボンレンガには炭化ホウ素の中性子吸収材が含浸されており、原子炉圧力容器の中性子照射を低減できます。
現在、原子炉用のホウ化物材料には主に次の材料が含まれます：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）、ホウ素ユウロピウム（コア可燃性毒物）等