Węglik boru to czarny kryształ o metalicznym połysku, zwany także czarnym diamentem, należący do nieorganicznych materiałów niemetalicznych. Obecnie wszyscy znają materiał węglika boru, co może wynikać z zastosowania pancerza kuloodpornego, ponieważ ma najniższą gęstość wśród materiałów ceramicznych, ma zalety wysokiego modułu sprężystości i wysokiej twardości oraz może osiągnąć dobre wykorzystanie mikropęknięć pochłaniających pociski. Efekt energii przy jednoczesnym utrzymaniu możliwie niskiego obciążenia. Ale w rzeczywistości węglik boru ma wiele innych unikalnych właściwości, dzięki którym może odgrywać ważną rolę w materiałach ściernych, materiałach ogniotrwałych, przemyśle nuklearnym, lotniczym i innych dziedzinach.
Właściwościwęglik boru
Pod względem właściwości fizycznych twardość węglika boru jest po diamentie i sześciennym azotku boru i nadal może utrzymywać wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach, co może być stosowane jako idealny materiał odporny na zużycie w wysokich temperaturach; gęstość węglika boru jest bardzo mała (gęstość teoretyczna wynosi tylko 2,52 g/cm3), jest lżejsza niż zwykłe materiały ceramiczne i może być stosowana w przemyśle lotniczym; węglik boru ma silną zdolność absorpcji neutronów, dobrą stabilność termiczną i temperaturę topnienia 2450 ° C, dlatego jest również szeroko stosowany w przemyśle nuklearnym. Zdolność neutronu do absorpcji neutronów można dodatkowo poprawić poprzez dodanie pierwiastków B; materiały węglika boru o określonej morfologii i strukturze mają również specjalne właściwości fotoelektryczne; ponadto węglik boru ma wysoką temperaturę topnienia, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik rozszerzalności i dobre. Te zalety sprawiają, że jest to potencjalny materiał do zastosowania w wielu dziedzinach, takich jak metalurgia, przemysł chemiczny, maszynowy, lotniczy i wojskowy. Na przykład części odporne na korozję i zużycie, elementy kuloodporne, pręty sterujące reaktora i elementy termoelektryczne itp.
Pod względem właściwości chemicznych węglik boru w temperaturze pokojowej nie reaguje z kwasami, zasadami i większością związków nieorganicznych, a w temperaturze pokojowej prawie nie reaguje z tlenem i gazami halogenowymi, a jego właściwości chemiczne są stabilne. Ponadto proszek węglika boru jest aktywowany przez halogen jako środek borujący stal, a bor infiltruje na powierzchni stali, tworząc warstwę borku żelaza, zwiększając w ten sposób wytrzymałość i odporność materiału na zużycie, a jego właściwości chemiczne są doskonałe.
Wszyscy wiemy, że charakter materiału determinuje zastosowanie, więc w jakich zastosowaniach proszek węglika boru ma wyjątkową wydajność?Inżynierowie centrum badawczo-rozwojowego firmyTechnika UrbanMines.Co., Ltd. sporządziło następujące podsumowanie.
Zastosowaniewęglik boru
1. Węglik boru stosowany jest jako materiał ścierny do polerowania
Zastosowanie węglika boru jako materiału ściernego stosuje się głównie do szlifowania i polerowania szafiru. Wśród materiałów supertwardych twardość węglika boru jest lepsza niż tlenku glinu i węglika krzemu, ustępując jedynie diamentowi i sześciennemu azotkowi boru. Szafir jest najbardziej idealnym materiałem na podłoże dla półprzewodnikowych diod elektroluminescencyjnych (LED) GaN/Al 2 O3, wielkoskalowych układów scalonych SOI i SOS oraz nadprzewodzących folii nanostrukturalnych. Gładkość powierzchni jest bardzo wysoka i musi być wyjątkowo gładka. Brak stopnia uszkodzenia. Ze względu na wysoką wytrzymałość i wysoką twardość kryształu szafiru (twardość Mohsa 9) spowodował on ogromne trudności w przedsiębiorstwach przetwórczych.
Z punktu widzenia materiałów i szlifowania najlepszymi materiałami do obróbki i szlifowania kryształów szafiru są diament syntetyczny, węglik boru, węglik krzemu i dwutlenek krzemu. Twardość sztucznego diamentu jest zbyt wysoka (twardość Mohsa 10) podczas szlifowania płytki szafirowej powoduje zarysowanie powierzchni, wpływa na przepuszczalność światła płytki, a cena jest droga; po cięciu węglika krzemu chropowatość RA jest zwykle wysoka, a płaskość słaba; Jednak twardość krzemionki jest niewystarczająca (twardość Mohsa 7), a siła szlifowania jest słaba, co jest czasochłonne i pracochłonne w procesie mielenia. Dlatego materiał ścierny węglik boru (twardość Mohsa 9,3) stał się najbardziej idealnym materiałem do obróbki i szlifowania kryształów szafiru i ma doskonałą wydajność w dwustronnym szlifowaniu płytek szafirowych oraz przerzedzaniu wstecznym i polerowaniu płytek epitaksjalnych LED na bazie szafiru.
Warto wspomnieć, że przy temperaturze węglika boru powyżej 600°C powierzchnia ulegnie utlenieniu do filmu B2O3, który w pewnym stopniu ją zmiękczy, zatem nie nadaje się do szlifowania na sucho w zbyt wysokiej temperaturze w zastosowaniach ściernych, nadaje się jedynie do polerowania w płynie. Jednakże ta właściwość zapobiega dalszemu utlenianiu B4C, dzięki czemu ma on wyjątkowe zalety w stosowaniu materiałów ogniotrwałych.
2. Zastosowanie w materiałach ogniotrwałych
Węglik boru ma właściwości przeciwutleniające i odporność na wysoką temperaturę. Jest powszechnie stosowany jako zaawansowane kształtowane i niekształtowane materiały ogniotrwałe i jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach metalurgii, takich jak piece stalowe i meble do pieców.
W związku z potrzebami oszczędzania i zmniejszania zużycia energii w przemyśle żelaznym i stalowym oraz wytopie stali niskowęglowej i stali ultraniskowęglowej, badania i rozwój niskowęglowych cegieł magnezytowo-węglowych (zazwyczaj <8% zawartości węgla) z doskonałą wydajnością przyciąga coraz więcej uwagi ze strony przemysłu krajowego i zagranicznego. Obecnie wydajność niskowęglowych cegieł magnezytowo-węglowych jest ogólnie poprawiona poprzez poprawę struktury związanego węgla, optymalizację struktury matrycy cegieł magnezytowo-węglowych i dodanie wysokowydajnych przeciwutleniaczy. Wśród nich stosowany jest węgiel grafitowany składający się z przemysłowego węglika boru i częściowo grafityzowanej sadzy. Czarny proszek kompozytowy, stosowany jako źródło węgla i przeciwutleniacz w niskowęglowych cegłach magnezjowo-węglowych, osiągnął dobre wyniki.
Ponieważ węglik boru w wysokiej temperaturze zmięknie do pewnego stopnia, można go przyczepić do powierzchni cząstek innego materiału. Nawet jeśli produkt jest zagęszczony, warstwa tlenku B2O3 na powierzchni może stanowić pewną ochronę i odgrywać rolę przeciwutleniającą. Jednocześnie, ponieważ kryształy kolumnowe powstałe w wyniku reakcji są rozmieszczone w matrycy i szczelinach materiału ogniotrwałego, porowatość jest zmniejszona, poprawia się wytrzymałość na temperaturę medium i zwiększa się objętość powstałych kryształów, co może uzdrowić objętość skurczu i redukcji pęknięć.
3. Materiały kuloodporne służące wzmocnieniu obronności państwa
Ze względu na wysoką twardość, wysoką wytrzymałość, mały ciężar właściwy i wysoki poziom odporności balistycznej, węglik boru szczególnie wpisuje się w trend lekkich materiałów kuloodpornych. Jest to najlepszy materiał kuloodporny do ochrony samolotów, pojazdów, zbroi i ciał ludzkich; obecnie,Niektóre krajezaproponowali tanie badania przeciwbalistyczne z węglika boru, mające na celu promowanie wykorzystania na dużą skalę przeciwbalistycznego pancerza z węglika boru w przemyśle obronnym.
4. Zastosowanie w przemyśle nuklearnym
Węglik boru ma wysoki przekrój absorpcji neutronów i szerokie widmo energii neutronów i jest uznawany na arenie międzynarodowej za najlepszy pochłaniacz neutronów dla przemysłu nuklearnego. Wśród nich przekrój termiczny izotopu boru-10 wynosi aż 347 × 10-24 cm2, ustępując jedynie kilku pierwiastkom, takim jak gadolin, samar i kadm, i jest skutecznym termicznym absorberem neutronów. Ponadto węglik boru jest bogaty w zasoby, odporny na korozję, ma dobrą stabilność termiczną, nie wytwarza izotopów radioaktywnych i ma niską energię promieniowania wtórnego, dlatego węglik boru jest szeroko stosowany jako materiały kontrolne i materiały osłonowe w reaktorach jądrowych.
Na przykład w przemyśle nuklearnym wysokotemperaturowy reaktor chłodzony gazem wykorzystuje system wyłączania z kulą pochłaniającą bor jako drugi system wyłączania. W razie wypadku, gdy pierwszy system wyłączania ulegnie awarii, drugi system wyłączania wykorzystuje dużą liczbę granulek węglika boru. Swobodny spadek do kanału warstwy odblaskowej rdzenia reaktora itp., aby wyłączyć reaktor i uzyskać zimne wyłączenie, przy czym kulą absorbującą jest kulka grafitowa zawierająca węglik boru. Główną funkcją rdzenia z węglika boru w wysokotemperaturowym reaktorze chłodzonym gazem jest kontrolowanie mocy i bezpieczeństwa reaktora. Cegła węglowa jest impregnowana materiałem pochłaniającym neutrony z węglika boru, który może zmniejszyć napromieniowanie neutronowe zbiornika ciśnieniowego reaktora.
Obecnie materiały borkowe do reaktorów jądrowych obejmują głównie następujące materiały: węglik boru (pręty regulacyjne, pręty osłonowe), kwas borowy (moderator, chłodziwo), stal borową (pręty regulacyjne i materiały do magazynowania paliwa jądrowego i odpadów nuklearnych), bor europem (rdzeń palny trujący materiał) itp.