Karbid bóru je čierny kryštál s kovovým leskom, tiež známy ako čierny diamant, ktorý patrí medzi anorganické nekovové materiály. V súčasnosti je každý oboznámený s materiálom karbid bóru, čo môže byť spôsobené použitím v nepriestrelnom pancieri, pretože má najnižšiu hustotu spomedzi keramických materiálov, výhody vysokého modulu pružnosti a vysokej tvrdosti a dokáže dobre využiť mikrotrhliny na absorbovanie projektilov. Efekt energie sa udržiava pri čo najnižšom zaťažení. V skutočnosti má však karbid bóru mnoho ďalších jedinečných vlastností, vďaka ktorým môže hrať dôležitú úlohu v abrazívach, žiaruvzdorných materiáloch, jadrovom priemysle, leteckom priemysle a ďalších oblastiach.
Vlastnostikarbid bóru
Pokiaľ ide o fyzikálne vlastnosti, tvrdosť karbidu bóru je hneď po diamante a kubickom nitride bóru a stále si udržiava vysokú pevnosť pri vysokých teplotách, čo ho robí ideálnym materiálom odolným voči opotrebovaniu pri vysokých teplotách. Hustota karbidu bóru je veľmi malá (teoretická hustota je iba 2,52 g/cm3), je ľahší ako bežné keramické materiály a môže sa použiť v leteckom a kozmickom priemysle. Karbid bóru má silnú schopnosť absorpcie neutrónov, dobrú tepelnú stabilitu a bod topenia 2450 °C, takže sa široko používa aj v jadrovom priemysle. Schopnosť absorpcie neutrónov sa dá ďalej zlepšiť pridaním prvkov B. Materiály karbidu bóru so špecifickou morfológiou a štruktúrou majú tiež špeciálne fotoelektrické vlastnosti. Okrem toho má karbid bóru vysoký bod topenia, vysoký modul pružnosti, nízky koeficient rozťažnosti a dobré vlastnosti. Vďaka týmto výhodám je potenciálnym aplikačným materiálom v mnohých oblastiach, ako je metalurgia, chemický priemysel, strojárstvo, letecký a vojenský priemysel. Napríklad sa používa na výrobu dielov odolných voči korózii a opotrebovaniu, na výrobu nepriestrelných pancierových prvkov, riadiacich tyčí reaktorov a termoelektrických prvkov atď.
Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, karbid bóru nereaguje s kyselinami, zásadami a väčšinou anorganických zlúčenín pri izbovej teplote a sotva reaguje s kyslíkom a halogénovými plynmi pri izbovej teplote a jeho chemické vlastnosti sú stabilné. Okrem toho je prášok karbidu bóru aktivovaný halogénom ako boridovým činidlom ocele a bór sa infiltruje na povrch ocele za vzniku filmu boridu železa, čím sa zvyšuje pevnosť a odolnosť materiálu proti opotrebovaniu a jeho chemické vlastnosti sú vynikajúce.
Všetci vieme, že povaha materiálu určuje jeho použitie, takže v ktorých aplikáciách má prášok karbidu bóru vynikajúci výkon?Inžinieri z výskumného a vývojového centraTechnológia UrbanMines.Spoločnosť s.r.o. vypracovala nasledujúce zhrnutie.
Aplikáciakarbid bóru
1. Karbid bóru sa používa ako leštiaci abrazívny materiál
Aplikácia karbidu bóru ako abrazíva sa používa hlavne na brúsenie a leštenie zafíru. Medzi supertvrdými materiálmi je tvrdosť karbidu bóru lepšia ako tvrdosť oxidu hlinitého a karbidu kremíka, druhá hneď po diamante a kubickom nitride bóru. Zafír je najideálnejším substrátovým materiálom pre polovodičové GaN/Al2O3 svetelné diódy (LED), rozsiahle integrované obvody SOI a SOS a supravodivé nanostruktúrne filmy. Hladkosť povrchu je veľmi vysoká a musí byť ultra hladký bez poškodenia. Vzhľadom na vysokú pevnosť a vysokú tvrdosť zafírového kryštálu (tvrdosť podľa Mohsa 9) spôsobuje spracovateľským podnikom veľké ťažkosti.
Z hľadiska materiálov a brúsenia sú najlepšími materiálmi na spracovanie a brúsenie zafírových kryštálov syntetický diamant, karbid bóru, karbid kremíka a oxid kremičitý. Tvrdosť umelého diamantu je príliš vysoká (tvrdosť podľa Mohsa 10), čo pri brúsení zafírového plátku poškriabe povrch, ovplyvňuje priepustnosť svetla plátkom a cena je vysoká; po rezaní karbidu kremíka je drsnosť RA zvyčajne vysoká a rovinnosť nízka; tvrdosť kremíka však nie je dostatočná (tvrdosť podľa Mohsa 7) a brúsna sila je nízka, čo je časovo a prácne náročný proces brúsenia. Preto sa abrazívum z karbidu bóru (tvrdosť podľa Mohsa 9,3) stalo najideálnejším materiálom na spracovanie a brúsenie zafírových kryštálov a má vynikajúci výkon pri obojstrannom brúsení zafírových plátkov a spätnom stenčovaní a leštení zafírových epitaxných LED plátkov.
Za zmienku stojí, že keď je karbid bóru nad 600 °C, povrch sa oxiduje na film B2O3, ktorý ho do určitej miery zmäkčí, takže nie je vhodný na suché brúsenie pri príliš vysokej teplote v abrazívnych aplikáciách, vhodný je iba na leštenie tekutým brúsením. Táto vlastnosť však zabraňuje ďalšej oxidácii B4C, čo mu prináša jedinečné výhody pri použití žiaruvzdorných materiálov.
2. Použitie v žiaruvzdorných materiáloch
Karbid bóru má vlastnosti antioxidácie a odolnosti voči vysokým teplotám. Všeobecne sa používa ako pokročilý tvarovaný a netvarovaný žiaruvzdorný materiál a je široko používaný v rôznych oblastiach metalurgie, ako sú oceľové pece a nábytok do pecí.
Vzhľadom na potreby úspory energie a znižovania spotreby v železiarskom a oceliarskom priemysle a tavenie nízkouhlíkovej a ultranízkouhlíkovej ocele priťahuje výskum a vývoj nízkouhlíkových magnéziovo-uhlíkových tehál (vo všeobecnosti s obsahom uhlíka <8 %) s vynikajúcim výkonom čoraz väčšiu pozornosť domáceho aj zahraničného priemyslu. V súčasnosti sa výkon nízkouhlíkových magnéziovo-uhlíkových tehál vo všeobecnosti zlepšuje zlepšením štruktúry viazaného uhlíka, optimalizáciou matricovej štruktúry magnéziovo-uhlíkových tehál a pridaním vysokoúčinných antioxidantov. Medzi nimi sa používa grafitizovaný uhlík zložený z priemyselného karbidu bóru a čiastočne grafitizovaného uhlíkového čierneho. Čierny kompozitný prášok, ktorý sa používa ako zdroj uhlíka a antioxidant pre nízkouhlíkové magnéziovo-uhlíkové tehly, dosiahol dobré výsledky.
Keďže karbid bóru pri vysokej teplote do určitej miery zmäkne, môže sa prichytiť na povrch iných materiálových častíc. Aj keď je produkt zhutnený, film oxidu B2O3 na povrchu môže vytvoriť určitú ochranu a zohrávať antioxidačnú úlohu. Zároveň, pretože stĺpcové kryštály vytvorené reakciou sú rozložené v matrici a medzerách žiaruvzdorného materiálu, pórovitosť sa znižuje, pevnosť pri strednej teplote sa zlepšuje a objem vytvorených kryštálov sa zväčšuje, čo môže zaceliť zmršťovanie objemu a znížiť trhliny.
3. Nepriestrelné materiály používané na posilnenie národnej obrany
Vďaka svojej vysokej tvrdosti, vysokej pevnosti, malej špecifickej hmotnosti a vysokej úrovni balistickej odolnosti je karbid bóru obzvlášť v súlade s trendom ľahkých nepriestrelných materiálov. Je to najlepší nepriestrelný materiál na ochranu lietadiel, vozidiel, obrnených vozidiel a ľudských tiel; v súčasnosti...Niektoré krajinynavrhli nízkonákladový výskum protibalistického panciera z karbidu bóru s cieľom podporiť rozsiahle používanie protibalistického panciera z karbidu bóru v obrannom priemysle.
4. Aplikácia v jadrovom priemysle
Karbid bóru má vysoký prierez absorpcie neutrónov a široké spektrum energie neutrónov a je medzinárodne uznávaný ako najlepší absorbér neutrónov pre jadrový priemysel. Tepelný prierez izotopu bóru-10 dosahuje až 347 × 10⁻²⁴ cm², čo je druhý najlepší tepelný absorbér neutrónov hneď za niekoľkými prvkami, ako je gadolínium, samárium a kadmium, a je účinným absorbérom tepelných neutrónov. Okrem toho je karbid bóru bohatý na zdroje, odolný voči korózii, má dobrú tepelnú stabilitu, neprodukuje rádioaktívne izotopy a má nízku energiu sekundárneho žiarenia, takže sa karbid bóru široko používa ako kontrolný materiál a tieniaci materiál v jadrových reaktoroch.
Napríklad v jadrovom priemysle sa vo vysokoteplotnom plynom chladenom reaktore používa systém odstavovania s bórom absorbujúcou guľôčkou ako druhý systém odstavovania. V prípade nehody, keď zlyhá prvý systém odstavovania, druhý systém odstavovania použije veľké množstvo peliet karbidu bóru, ktoré voľne padajú do kanála reflexnej vrstvy aktívnej zóny reaktora atď., aby odstavil reaktor a dosiahol studené odstavenie, pričom absorpčná guľa je grafitová guľôčka obsahujúca karbid bóru. Hlavnou funkciou jadra z karbidu bóru vo vysokoteplotnom plynom chladenom reaktore je regulácia výkonu a bezpečnosti reaktora. Uhlíková tehla je impregnovaná materiálom absorbujúcim neutróny z karbidu bóru, ktorý môže znížiť ožiarenie tlakovej nádoby reaktora neutrónmi.
V súčasnosti boridové materiály pre jadrové reaktory zahŕňajú najmä tieto materiály: karbid bóru (riadiace tyče, ochranné tyče), kyselinu boritú (moderátor, chladivo), bórovú oceľ (riadiace tyče a skladovacie materiály pre jadrové palivo a jadrový odpad), bór europium (horľavý jedovatý materiál v jadre) atď.