Boorcarbide is een zwart kristal met een metaalachtige glans, ook wel bekend als zwarte diamant, en behoort tot de anorganische niet-metallische materialen. Tegenwoordig is boorcarbide bij iedereen bekend, wellicht vanwege de toepassing ervan in kogelwerende vesten. Het heeft namelijk de laagste dichtheid van alle keramische materialen, een hoge elasticiteitsmodulus en een hoge hardheid, en kan dankzij microbreuken de energie van projectielen absorberen, terwijl de belasting zo laag mogelijk blijft. Maar boorcarbide heeft nog veel meer unieke eigenschappen, waardoor het een belangrijke rol kan spelen in schuurmiddelen, vuurvaste materialen, de nucleaire industrie, de ruimtevaart en andere sectoren.
Eigenschappen vanboorcarbide
Wat betreft fysische eigenschappen is boorkarbide na diamant en kubisch boornitride het hardst, en het behoudt bovendien een hoge sterkte bij hoge temperaturen, waardoor het een ideaal materiaal is voor toepassingen bij hoge temperaturen en slijtage. De dichtheid van boorkarbide is zeer laag (theoretische dichtheid slechts 2,52 g/cm³), lichter dan gewone keramische materialen, en het kan worden gebruikt in de ruimtevaart. Boorkarbide heeft een sterk neutronenabsorberend vermogen, een goede thermische stabiliteit en een smeltpunt van 2450 °C, waardoor het ook veelvuldig wordt gebruikt in de nucleaire industrie. Het neutronenabsorberend vermogen kan verder worden verbeterd door toevoeging van boorelementen. Boorkarbidematerialen met een specifieke morfologie en structuur bezitten bovendien bijzondere foto-elektrische eigenschappen. Daarnaast maken de voordelen van boorkarbide, zoals een hoog smeltpunt, een hoge elasticiteitsmodulus, een lage uitzettingscoëfficiënt en goede geleidbaarheid, het een potentieel toepasbaar materiaal in vele sectoren, zoals de metallurgie, chemische industrie, machinebouw, ruimtevaart en militaire industrie. Denk bijvoorbeeld aan corrosiebestendige en slijtvaste onderdelen, kogelwerende vesten, reactorregelstaven en thermo-elektrische elementen, enzovoort.
Wat betreft de chemische eigenschappen reageert boorkarbide bij kamertemperatuur niet met zuren, basen en de meeste anorganische verbindingen, en reageert het nauwelijks met zuurstof en halogeenhoudende gassen. De chemische eigenschappen zijn stabiel. Bovendien wordt boorkarbidepoeder geactiveerd door halogenen als borideringsmiddel voor staal, waarbij boor in het staaloppervlak infiltreert en een ijzerboridefilm vormt. Dit verbetert de sterkte en slijtvastheid van het materiaal en resulteert in uitstekende chemische eigenschappen.
We weten allemaal dat de aard van het materiaal het gebruik bepaalt, dus in welke toepassingen presteert boorkarbidepoeder uitstekend?De ingenieurs van het R&D-centrum vanUrbanMines Tech.Co., Ltd. heeft de volgende samenvatting gemaakt.
Toepassing vanboorcarbide
1. Boorcarbide wordt gebruikt als polijstmiddel.
Het gebruik van boorcarbide als schuurmiddel vindt voornamelijk plaats bij het slijpen en polijsten van saffier. Van de superharde materialen is boorcarbide harder dan aluminiumoxide en siliciumcarbide, en alleen diamant en kubisch boornitride zijn harder. Saffier is het ideale substraatmateriaal voor halfgeleider-LED's (GaN/Al₂O₃), grootschalige geïntegreerde schakelingen (SOI en SOS) en supergeleidende nanostructuurfilms. De oppervlakte moet zeer glad zijn en absoluut geen beschadigingen vertonen. Door de hoge sterkte en hardheid van saffierkristal (hardheid 9 op de schaal van Mohs) levert de verwerking ervan grote uitdagingen op voor bedrijven.
Vanuit het oogpunt van materialen en slijpen zijn de beste materialen voor het bewerken en slijpen van saffierkristallen synthetisch diamant, boorcarbide, siliciumcarbide en siliciumdioxide. De hardheid van kunstmatig diamant is te hoog (Mohs-hardheid 10), waardoor het bij het slijpen van de saffierwafer krassen op het oppervlak veroorzaakt, de lichtdoorlatendheid van de wafer beïnvloedt en bovendien duur is. Siliciumcarbide heeft na het slijpen doorgaans een hoge ruwheid (RA) en een slechte vlakheid. De hardheid van siliciumdioxide is echter onvoldoende (Mohs-hardheid 7), waardoor de slijpkracht te laag is en het slijpproces tijdrovend en arbeidsintensief is. Daarom is boorcarbide (Mohs-hardheid 9,3) het meest ideale materiaal voor het bewerken en slijpen van saffierkristallen en presteert het uitstekend bij het dubbelzijdig slijpen van saffierwafers en het dunner maken en polijsten van epitaxiale saffier-LED-wafers.
Het is belangrijk te vermelden dat boorkarbide bij temperaturen boven de 600 °C oxideert tot een B2O3-film, waardoor het materiaal enigszins zachter wordt. Hierdoor is het niet geschikt voor droog slijpen bij te hoge temperaturen in abrasieve toepassingen, maar alleen voor polijsten met vloeibaar slijpmiddel. Deze eigenschap voorkomt echter dat B4C verder oxideert, wat het unieke voordelen biedt bij de toepassing in vuurvaste materialen.
2. Toepassing in vuurvaste materialen
Boorcarbide heeft de eigenschappen van anti-oxidatie en hoge temperatuurbestendigheid. Het wordt over het algemeen gebruikt als geavanceerd gevormd en ongevormd vuurvast materiaal en vindt brede toepassing in diverse metallurgische sectoren, zoals staalovens en ovenonderdelen.
Met de toenemende behoefte aan energiebesparing en vermindering van het verbruik in de ijzer- en staalindustrie, en de productie van koolstofarm en ultralaag koolstofstaal, heeft het onderzoek naar en de ontwikkeling van koolstofarme magnesiumoxide-koolstofstenen (doorgaans met een koolstofgehalte van <8%) met uitstekende prestaties steeds meer aandacht gekregen van zowel binnenlandse als buitenlandse industrieën. De prestaties van koolstofarme magnesiumoxide-koolstofstenen worden momenteel over het algemeen verbeterd door de structuur van de gebonden koolstof te verbeteren, de matrixstructuur van de magnesiumoxide-koolstofstenen te optimaliseren en hoogwaardige antioxidanten toe te voegen. Hierbij wordt onder andere gebruik gemaakt van gegrafiteerde koolstof, samengesteld uit industrieel boorcarbide en gedeeltelijk gegrafiteerd roet. Dit zwarte composietpoeder, gebruikt als koolstofbron en antioxidant voor koolstofarme magnesiumoxide-koolstofstenen, heeft goede resultaten opgeleverd.
Omdat boorkarbide bij hoge temperaturen tot op zekere hoogte zachter wordt, kan het zich hechten aan het oppervlak van andere materiaaldeeltjes. Zelfs als het product verdicht wordt, kan de B2O3-oxidefilm op het oppervlak een zekere bescherming bieden en een antioxiderende werking hebben. Tegelijkertijd, doordat de kolomvormige kristallen die door de reactie ontstaan, verdeeld zijn in de matrix en de spleten van het vuurvaste materiaal, wordt de porositeit verminderd, de sterkte bij middelhoge temperaturen verbeterd en neemt het volume van de gevormde kristallen toe, wat volumekrimp kan compenseren en scheuren kan verminderen.
3. Kogelwerende materialen die worden gebruikt om de nationale defensie te versterken.
Door zijn hoge hardheid, grote sterkte, lage soortelijke massa en hoge ballistische weerstand sluit boorkarbide perfect aan bij de trend van lichtgewicht kogelwerende materialen. Het is het beste kogelwerende materiaal voor de bescherming van vliegtuigen, voertuigen, pantser en mensenlichamen; momenteelSommige landenhebben onderzoek voorgesteld naar goedkope kogelwerende bepantsering op basis van boorcarbide, met als doel het grootschalige gebruik van dergelijke bepantsering in de defensie-industrie te bevorderen.
4. Toepassing in de nucleaire industrie
Boorkarbide heeft een hoge neutronenabsorptiedwarsdoorsnede en een breed neutronenenergiespectrum en wordt internationaal erkend als de beste neutronenabsorbeerder voor de kernindustrie. De thermische doorsnede van het boor-10-isotoop is maar liefst 347 × 10⁻²⁴ cm², alleen overtroffen door elementen zoals gadolinium, samarium en cadmium, waardoor het een efficiënte thermische neutronenabsorbeerder is. Bovendien is boorkarbide ruim voorhanden, corrosiebestendig, heeft een goede thermische stabiliteit, produceert geen radioactieve isotopen en heeft een lage secundaire stralingsenergie. Daarom wordt boorkarbide veelvuldig gebruikt als regelmateriaal en afschermingsmateriaal in kernreactoren.
In de kernindustrie gebruikt de hogetemperatuur-gasgekoelde reactor bijvoorbeeld een boorabsorberend kogelsysteem als tweede noodstop. In geval van een ongeval, wanneer het eerste noodstopsysteem faalt, gebruikt het tweede noodstopsysteem een grote hoeveelheid boorcarbidekorrels die in de kanalen van de reflecterende laag van de reactorkern vallen, enzovoort, om de reactor uit te schakelen en een koude stop te realiseren. De absorberende kogel is een grafietkogel die boorcarbide bevat. De belangrijkste functie van de boorcarbidekern in de hogetemperatuur-gasgekoelde reactor is het beheersen van het vermogen en de veiligheid van de reactor. De koolstofsteen is geïmpregneerd met boorcarbide, een neutronenabsorberend materiaal, dat de neutronenbestraling van het reactorvat kan verminderen.
Momenteel omvatten boridematerialen voor kernreactoren hoofdzakelijk de volgende materialen: boorcarbide (regelstaven, afschermingsstaven), boorzuur (moderator, koelvloeistof), boorstaal (regelstaven en opslagmaterialen voor kernbrandstof en kernafval), boor-europium (vergiftigend materiaal voor de reactorkern), enzovoort.