Borov karbid je črn kristal s kovinskim sijajem, znan tudi kot črni diamant, ki spada med anorganske nekovinske materiale. Trenutno vsi poznajo material borovega karbida, kar je morda posledica uporabe v neprebojnih oklepih, saj ima najnižjo gostoto med keramičnimi materiali, prednosti visokega modula elastičnosti in visoke trdote ter lahko doseže dober izkoristek mikrorazlomov za absorpcijo izstrelkov. Učinek energije, hkrati pa ohranja obremenitev čim nižjo. Vendar ima borov karbid v resnici še veliko drugih edinstvenih lastnosti, zaradi katerih lahko igra pomembno vlogo v abrazivnih materialih, ognjevzdržnih materialih, jedrski industriji, vesoljski in drugih področjih.
Lastnostiborov karbid
Kar zadeva fizikalne lastnosti, je borov karbid po trdoti takoj za diamantom in kubičnim borovim nitridom, hkrati pa lahko ohranja visoko trdnost pri visokih temperaturah, zaradi česar se lahko uporablja kot idealen material, odporen proti obrabi pri visokih temperaturah. Gostota borovega karbida je zelo majhna (teoretična gostota je le 2,52 g/cm3), lažji od običajnih keramičnih materialov in se lahko uporablja v letalski in vesoljski industriji. Borov karbid ima močno sposobnost absorpcije nevtronov, dobro toplotno stabilnost in tališče 2450 °C, zato se pogosto uporablja tudi v jedrski industriji. Sposobnost absorpcije nevtronov je mogoče dodatno izboljšati z dodajanjem elementov B. Borov karbidni materiali s specifično morfologijo in strukturo imajo tudi posebne fotoelektrične lastnosti. Poleg tega ima borov karbid visoko tališče, visok elastični modul, nizek koeficient raztezanja in dobre lastnosti. Zaradi teh prednosti je potencialno uporaben material na številnih področjih, kot so metalurgija, kemična industrija, strojništvo, letalska in vojaška industrija. Na primer, za izdelavo delov, odpornih proti koroziji in obrabi, neprebojnih oklepov, krmilnih palic reaktorjev in termoelektričnih elementov itd.
Kar zadeva kemijske lastnosti, borov karbid pri sobni temperaturi ne reagira s kislinami, alkalijami in večino anorganskih spojin, pri sobni temperaturi pa komaj reagira s kisikom in halogenskimi plini, njegove kemijske lastnosti pa so stabilne. Poleg tega se prah borovega karbida aktivira s halogenom kot sredstvom za boridiranje jekla, bor pa se infiltrira na površino jekla in tvori film železovega borida, s čimer se poveča trdnost in odpornost materiala proti obrabi, njegove kemijske lastnosti pa so odlične.
Vsi vemo, da narava materiala določa uporabo, zato v katerih aplikacijah ima borov karbidni prah izjemne lastnosti?Inženirji raziskovalno-razvojnega centraTehnologija UrbanMines.Družba d.o.o. je pripravila naslednji povzetek.
Uporababorov karbid
1. Borov karbid se uporablja kot abraziv za poliranje
Uporaba borovega karbida kot abraziva se v glavnem uporablja za brušenje in poliranje safirja. Med supertrdimi materiali je trdota borovega karbida boljša od trdote aluminijevega oksida in silicijevega karbida, takoj za diamantom in kubičnim borovim nitridom. Safir je najbolj idealen substratni material za polprevodniške svetleče diode (LED) GaN/Al2O3, velika integrirana vezja SOI in SOS ter superprevodne nanostrukturne filme. Gladkost površine je zelo visoka in mora biti ultra gladka, brez stopnje poškodb. Zaradi visoke trdnosti in visoke trdote safirnega kristala (trdota po Mohsu 9) je povzročal velike težave predelovalnim podjetjem.
Z vidika materialov in brušenja so najboljši materiali za obdelavo in brušenje safirnih kristalov sintetični diamant, borov karbid, silicijev karbid in silicijev dioksid. Trdota umetnega diamanta je previsoka (Mohsova trdota 10), kar pri brušenju safirne rezine opraska površino, vpliva na prepustnost svetlobe rezine in je cena visoka; po rezanju silicijevega karbida je hrapavost RA običajno visoka, ravnost pa slaba; vendar trdota silicijevega dioksida ni zadostna (Mohsova trdota 7), sila brušenja pa je slaba, kar je dolgotrajen in delovno intenziven postopek brušenja. Zato je borov karbidni abraziv (Mohsova trdota 9,3) postal najbolj idealen material za obdelavo in brušenje safirnih kristalov ter ima odlične lastnosti pri dvostranskem brušenju safirnih rezin ter zadnjem redčenju in poliranju safirnih epitaksialnih rezin LED.
Omeniti velja, da se pri temperaturi nad 600 °C površina borovega karbida oksidira v film B2O3, ki ga do neke mere zmehča, zato ni primeren za suho brušenje pri previsoki temperaturi v abrazivnih aplikacijah, temveč le za poliranje tekočega brušenja. Vendar pa ta lastnost preprečuje nadaljnjo oksidacijo B4C, zaradi česar ima edinstvene prednosti pri uporabi ognjevzdržnih materialov.
2. Uporaba v ognjevzdržnih materialih
Borov karbid ima lastnosti antioksidacije in odpornosti na visoke temperature. Na splošno se uporablja kot napredni oblikovani in neoblikovani ognjevzdržni material ter se pogosto uporablja na različnih področjih metalurgije, kot so jeklene peči in pohištvo za peči.
Zaradi potreb po varčevanju z energijo in zmanjšanju porabe v železarski in jeklarski industriji ter taljenja nizkoogljičnega in ultra nizkoogljičnega jekla so raziskave in razvoj nizkoogljičnih magnezijevo-ogljikovih opek (običajno <8 % vsebnosti ogljika) z odličnimi lastnostmi pritegnili vse več pozornosti domače in tuje industrije. Trenutno se delovanje nizkoogljičnih magnezijevo-ogljikovih opek na splošno izboljšuje z izboljšanjem vezane ogljikove strukture, optimizacijo matrične strukture magnezijevo-ogljikovih opek in dodajanjem visoko učinkovitih antioksidantov. Med njimi se uporablja grafitiziran ogljik, sestavljen iz industrijskega borovega karbida in delno grafitiziranega saj. Črni kompozitni prah, ki se uporablja kot vir ogljika in antioksidant za nizkoogljične magnezijevo-ogljikove opeke, je dosegel dobre rezultate.
Ker se borov karbid pri visoki temperaturi do določene mere zmehča, se lahko pritrdi na površino drugih delcev materiala. Tudi če se izdelek zgosti, lahko film oksida B2O3 na površini tvori določeno zaščito in igra antioksidacijsko vlogo. Hkrati se zaradi porazdelitve stebrastih kristalov, ki nastanejo med reakcijo, v matrici in režah ognjevzdržnega materiala zmanjša poroznost, izboljša se trdnost pri srednji temperaturi in poveča se volumen nastalih kristalov, kar lahko zaceli krčenje volumna in zmanjša razpoke.
3. Neprebojni materiali, ki se uporabljajo za izboljšanje nacionalne obrambe
Zaradi visoke trdote, visoke trdnosti, majhne specifične teže in visoke balistične odpornosti je borov karbid še posebej v skladu s trendom lahkih neprebojnih materialov. Je najboljši neprebojni material za zaščito letal, vozil, oklepov in človeških teles; trenutnoNekatere državeso predlagali nizkocenovno raziskavo protibalističnega oklepa iz borovega karbida, s ciljem spodbujanja obsežne uporabe protibalističnega oklepa iz borovega karbida v obrambni industriji.
4. Uporaba v jedrski industriji
Borov karbid ima visok presek absorpcije nevtronov in širok energijski spekter nevtronov ter je mednarodno priznan kot najboljši absorber nevtronov za jedrsko industrijo. Med njimi je toplotni presek izotopa bora-10 visok kar 347 × 10⁻²⁴ cm², kar je drugi najučinkovitejši absorber toplotnih nevtronov, takoj za nekaj elementi, kot so gadolinij, samarij in kadmij. Poleg tega je borov karbid bogat z viri, odporen proti koroziji, ima dobro toplotno stabilnost, ne proizvaja radioaktivnih izotopov in ima nizko energijo sekundarnega sevanja, zato se borov karbid pogosto uporablja kot kontrolni material in zaščitni material v jedrskih reaktorjih.
Na primer, v jedrski industriji visokotemperaturni plinsko hlajeni reaktor uporablja sistem zaustavitve z borovo absorpcijsko kroglo kot drugi sistem zaustavitve. V primeru nesreče, ko prvi sistem zaustavitve odpove, drugi sistem zaustavitve uporabi veliko število borovih karbidnih peletov, ki prosto padajo v kanal odbojne plasti jedra reaktorja itd., da zaustavi reaktor in izvede hladno zaustavitev, pri čemer je absorpcijska krogla grafitna krogla, ki vsebuje borov karbid. Glavna funkcija borovega karbidnega jedra v visokotemperaturnem plinsko hlajenem reaktorju je nadzor moči in varnosti reaktorja. Ogljikova opeka je impregnirana z nevtronsko absorpcijskim materialom borovega karbida, kar lahko zmanjša nevtronsko obsevanje reaktorske posode.
Trenutno boridni materiali za jedrske reaktorje vključujejo predvsem naslednje materiale: borov karbid (kontrolne palice, zaščitne palice), borova kislina (moderator, hladilno sredstvo), borovo jeklo (kontrolne palice in materiali za shranjevanje jedrskega goriva in jedrskih odpadkov), bor evropij (strupeni material, ki gorijo v jedru) itd.