Карбид бора — это чёрный кристалл с металлическим блеском, также известный как чёрный алмаз, относящийся к неорганическим неметаллическим материалам. В настоящее время материал из карбида бора хорошо известен, возможно, благодаря его применению в бронежилетах, поскольку он обладает самой низкой плотностью среди керамических материалов, имеет преимущества высокого модуля упругости и высокой твёрдости, а также позволяет эффективно использовать микротрещины для поглощения энергии снарядов, сохраняя при этом минимальную нагрузку. Но на самом деле карбид бора обладает множеством других уникальных свойств, которые позволяют ему играть важную роль в абразивных материалах, огнеупорах, атомной промышленности, аэрокосмической отрасли и других областях.
Свойствакарбид бора
С точки зрения физических свойств, твердость карбида бора уступает только алмазу и кубическому нитриду бора, и он сохраняет высокую прочность при высоких температурах, что делает его идеальным высокотемпературным износостойким материалом; плотность карбида бора очень мала (теоретическая плотность составляет всего 2,52 г/см³), он легче обычных керамических материалов и может использоваться в аэрокосмической отрасли; карбид бора обладает сильной способностью поглощения нейтронов, хорошей термической стабильностью и температурой плавления 2450 °C, поэтому он также широко используется в атомной промышленности. Способность поглощения нейтронов может быть дополнительно улучшена добавлением бора; материалы на основе карбида бора со специфической морфологией и структурой также обладают особыми фотоэлектрическими свойствами; кроме того, карбид бора имеет высокую температуру плавления, высокий модуль упругости, низкий коэффициент расширения и хорошие характеристики. Эти преимущества делают его потенциальным материалом для применения во многих областях, таких как металлургия, химическая промышленность, машиностроение, аэрокосмическая и военная промышленность. Например, коррозионно-стойкие и износостойкие детали, используемые при изготовлении бронежилетов, стержней управления реакторами и термоэлектрических элементов и т. д.
С точки зрения химических свойств, карбид бора не реагирует с кислотами, щелочами и большинством неорганических соединений при комнатной температуре, а также практически не реагирует с кислородом и галогенами, и его химические свойства стабильны. Кроме того, порошок карбида бора активируется галогеном в качестве боридообразующего агента для стали, и бор проникает в поверхность стали, образуя пленку борида железа, тем самым повышая прочность и износостойкость материала, и его химические свойства превосходны.
Всем известно, что свойства материала определяют его применение, поэтому в каких областях порошок карбида бора демонстрирует выдающиеся результаты?Инженеры научно-исследовательского центраUrbanMines Tech.Компания Co., Ltd. составила следующее резюме.
Применениекарбид бора
1. Карбид бора используется в качестве абразивного материала для полировки.
Применение карбида бора в качестве абразива в основном используется для шлифовки и полировки сапфира. Среди сверхтвердых материалов твердость карбида бора превосходит твердость оксида алюминия и карбида кремния, уступая только алмазу и кубическому нитриду бора. Сапфир является наиболее идеальным материалом подложки для полупроводниковых светодиодов GaN/Al₂O₃, крупномасштабных интегральных схем SOI и SOS, а также сверхпроводящих наноструктурных пленок. Гладкость поверхности очень высока и должна быть сверхгладкой, без каких-либо повреждений. Из-за высокой прочности и твердости кристалла сапфира (твердость по шкале Мооса 9) это создает большие трудности для предприятий, занимающихся обработкой.
С точки зрения материалов и шлифовки, лучшими материалами для обработки и шлифовки сапфировых кристаллов являются синтетический алмаз, карбид бора, карбид кремния и диоксид кремния. Твердость искусственного алмаза слишком высока (твердость по Моосу 10), поэтому при шлифовке сапфировой пластины он царапает поверхность, влияет на светопропускание пластины и стоит дорого; после обработки карбидом кремния обычно получается высокая шероховатость RA и плохая плоскостность; однако твердость диоксида кремния недостаточна (твердость по Моосу 7), а сила шлифовки недостаточна, что делает процесс шлифовки трудоемким и занимает много времени. Поэтому абразив из карбида бора (твердость по Моосу 9,3) стал наиболее идеальным материалом для обработки и шлифовки сапфировых кристаллов и обладает превосходными характеристиками при двусторонней шлифовке сапфировых пластин, а также при утонении и полировке сапфировых эпитаксиальных пластин для светодиодов.
Стоит отметить, что при температуре выше 600 °C поверхность карбида бора окисляется до пленки B2O3, что в некоторой степени размягчает его, поэтому он не подходит для сухой шлифовки при слишком высоких температурах в абразивных приложениях, а только для полировки жидкими абразивами. Однако это свойство предотвращает дальнейшее окисление B4C, что наделяет его уникальными преимуществами в применении в качестве огнеупорного материала.
2. Применение в огнеупорных материалах
Карбид бора обладает антиоксидантными свойствами и высокой термостойкостью. Он широко используется в качестве высокопрочного формованного и неформованного огнеупорного материала и применяется в различных областях металлургии, например, в сталеплавильных печах и печной фурнитуре.
В связи с необходимостью энергосбережения и сокращения потребления энергии в металлургической промышленности, а также при выплавке низкоуглеродистой и сверхнизкоуглеродистой стали, исследования и разработки низкоуглеродистых магнезиально-углеродистых кирпичей (обычно с содержанием углерода <8%) с превосходными характеристиками привлекают все большее внимание как в отечественной, так и в зарубежной промышленности. В настоящее время характеристики низкоуглеродистых магнезиально-углеродистых кирпичей, как правило, улучшаются за счет улучшения структуры связанного углерода, оптимизации матричной структуры магнезиально-углеродистых кирпичей и добавления высокоэффективных антиоксидантов. Среди них используется графитированный углерод, состоящий из промышленного карбида бора и частично графитированной сажи. Использование черного композитного порошка в качестве источника углерода и антиоксиданта для низкоуглеродистых магнезиально-углеродистых кирпичей показало хорошие результаты.
Поскольку карбид бора при высоких температурах в определенной степени размягчается, он может прикрепляться к поверхности частиц других материалов. Даже при уплотнении продукта пленка оксида B2O3 на поверхности может образовывать определенную защиту и играть антиоксидантную роль. В то же время, поскольку столбчатые кристаллы, образующиеся в результате реакции, распределяются в матрице и зазорах огнеупорного материала, пористость уменьшается, прочность при средних температурах повышается, а объем образующихся кристаллов увеличивается, что позволяет компенсировать объемную усадку и уменьшить образование трещин.
3. Пуленепробиваемые материалы, используемые для повышения национальной обороны.
Благодаря высокой твердости, прочности, малой удельной плотности и высокой баллистической стойкости, карбид бора особенно соответствует тенденции создания легких пуленепробиваемых материалов. Это лучший пуленепробиваемый материал для защиты самолетов, транспортных средств, бронетехники и людей; в настоящее времяНекоторые страныПредложены исследования по созданию недорогой противобаллистической брони из карбида бора с целью содействия ее широкомасштабному применению в оборонной промышленности.
4. Применение в атомной промышленности
Карбид бора обладает высоким сечением поглощения нейтронов и широким энергетическим спектром нейтронов, и признан на международном уровне лучшим поглотителем нейтронов для атомной промышленности. Среди них тепловое сечение изотопа бора-10 достигает 347×10⁻²⁴ см², уступая лишь некоторым элементам, таким как гадолиний, самарий и кадмий, и является эффективным поглотителем тепловых нейтронов. Кроме того, карбид бора богат ресурсами, обладает коррозионной стойкостью, хорошей термической стабильностью, не образует радиоактивных изотопов и имеет низкую энергию вторичного излучения, поэтому он широко используется в качестве контрольных и экранирующих материалов в ядерных реакторах.
Например, в атомной промышленности в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах в качестве второй системы аварийного останова используется система останова с использованием поглощающих нейтроны шариков из карбида бора. В случае аварии, когда первая система аварийного останова выходит из строя, вторая система использует большое количество гранул карбида бора, свободно падающих в канал отражающего слоя активной зоны реактора и т. д., для остановки реактора и осуществления холодного останова, при этом поглощающий шарик представляет собой графитовый шарик, содержащий карбид бора. Основная функция карбидного ядра в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе заключается в контроле мощности и безопасности реактора. Углеродный блок пропитан нейтронопоглощающим материалом из карбида бора, что позволяет снизить нейтронное облучение корпуса реактора.
В настоящее время в качестве боридных материалов для ядерных реакторов используются в основном следующие материалы: карбид бора (регулирующие стержни, экранирующие стержни), борная кислота (замедлитель, теплоноситель), борная сталь (регулирующие стержни и материалы для хранения ядерного топлива и ядерных отходов), бор-европий (поглотитель активной зоны, вызывающий воспламенение) и др.