โบรอนคาร์ไบด์เป็นผลึกสีดำที่มีความมันวาวเหมือนโลหะ หรือที่รู้จักกันในชื่อเพชรดำ ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ ปัจจุบัน ทุกคนคุ้นเคยกับวัสดุโบรอนคาร์ไบด์ อาจเป็นเพราะการนำไปใช้ในเกราะกันกระสุน เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำที่สุดในบรรดาวัสดุเซรามิก มีข้อดีคือมีโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงและความแข็งสูง และสามารถใช้การแตกหักขนาดเล็กเพื่อดูดซับพลังงานจากกระสุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่รักษาน้ำหนักให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ในความเป็นจริง โบรอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งทำให้มีบทบาทสำคัญในด้านวัสดุขัดถู วัสดุทนไฟ อุตสาหกรรมนิวเคลียร์ อวกาศ และสาขาอื่นๆ
คุณสมบัติของโบรอนคาร์ไบด์
ในแง่ของคุณสมบัติทางกายภาพ ความแข็งของโบรอนคาร์ไบด์เป็นรองเพียงเพชรและโบรอนไนไตรด์ลูกบาศก์เท่านั้น และยังคงความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถใช้เป็นวัสดุทนการสึกหรอที่อุณหภูมิสูงได้อย่างเหมาะสม ความหนาแน่นของโบรอนคาร์ไบด์ต่ำมาก (ความหนาแน่นทางทฤษฎีเพียง 2.52 กรัม/ซม³) เบากว่าวัสดุเซรามิกทั่วไป และสามารถนำไปใช้ในด้านอวกาศได้ โบรอนคาร์ไบด์มีความสามารถในการดูดซับนิวตรอนสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี และมีจุดหลอมเหลวที่ 2450 °C ดังนั้นจึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ ความสามารถในการดูดซับนิวตรอนสามารถปรับปรุงได้ดียิ่งขึ้นโดยการเติมธาตุ B วัสดุโบรอนคาร์ไบด์ที่มีรูปร่างและโครงสร้างเฉพาะยังมีคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าพิเศษ นอกจากนี้ โบรอนคาร์ไบด์ยังมีจุดหลอมเหลวสูง โมดูลัสยืดหยุ่นสูง สัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ และข้อดีเหล่านี้ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการใช้งานในหลายสาขา เช่น โลหะวิทยา อุตสาหกรรมเคมี เครื่องจักรกล อวกาศ และอุตสาหกรรมทางทหาร ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่ทนต่อการกัดกร่อนและทนต่อการสึกหรอ ซึ่งใช้ในการผลิตเกราะกันกระสุน แท่งควบคุมเครื่องปฏิกรณ์ และชิ้นส่วนเทอร์โมอิเล็กทริก เป็นต้น
ในแง่ของคุณสมบัติทางเคมี โบรอนคาร์ไบด์ไม่ทำปฏิกิริยากับกรด ด่าง และสารประกอบอนินทรีย์ส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้อง และแทบไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและก๊าซฮาโลเจนที่อุณหภูมิห้อง คุณสมบัติทางเคมีจึงมีเสถียรภาพ นอกจากนี้ ผงโบรอนคาร์ไบด์ยังถูกกระตุ้นด้วยฮาโลเจนเพื่อใช้เป็นสารเคลือบโบรอนในเหล็ก โดยโบรอนจะแทรกซึมเข้าไปในพื้นผิวเหล็กเพื่อสร้างฟิล์มเหล็กโบรอน ทำให้เพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุ และมีคุณสมบัติทางเคมีที่ดีเยี่ยม
เราทุกคนทราบดีว่าคุณสมบัติของวัสดุเป็นตัวกำหนดการใช้งาน ดังนั้นผงโบรอนคาร์ไบด์จึงมีประสิทธิภาพโดดเด่นในการใช้งานด้านใดบ้าง?วิศวกรของศูนย์วิจัยและพัฒนาของUrbanMines Tech.บริษัทจำกัดได้สรุปดังต่อไปนี้
การประยุกต์ใช้โบรอนคาร์ไบด์
1. โบรอนคาร์ไบด์ใช้เป็นสารขัดเงา
การประยุกต์ใช้โบรอนคาร์ไบด์เป็นสารขัดถูส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเจียรและขัดเงาแซฟไฟร์ ในบรรดาวัสดุแข็งพิเศษ ความแข็งของโบรอนคาร์ไบด์ดีกว่าอะลูมิเนียมออกไซด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ รองลงมาคือเพชรและคิวบิกโบรอนไนไตรด์ แซฟไฟร์เป็นวัสดุพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับไดโอดเปล่งแสง (LED) เซมิคอนดักเตอร์ GaN/Al₂O₃ วงจรรวมขนาดใหญ่ SOI และ SOS และฟิล์มโครงสร้างนาโนตัวนำยิ่งยวด ความเรียบของพื้นผิวต้องสูงมากและต้องเรียบเนียนเป็นพิเศษปราศจากความเสียหายใดๆ เนื่องจากความแข็งแรงและความแข็งสูงของผลึกแซฟไฟร์ (ความแข็งโมห์ 9) ทำให้เกิดความยากลำบากอย่างมากสำหรับผู้ประกอบการในการแปรรูป
จากมุมมองของวัสดุและการเจียร วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการแปรรูปและเจียรผลึกแซฟไฟร์ ได้แก่ เพชรสังเคราะห์ โบรอนคาร์ไบด์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ และซิลิคอนไดออกไซด์ ความแข็งของเพชรสังเคราะห์สูงเกินไป (ความแข็งโมห์ 10) เมื่อเจียรแผ่นเวเฟอร์แซฟไฟร์จะทำให้พื้นผิวเป็นรอย ส่งผลต่อการส่งผ่านแสงของแผ่นเวเฟอร์ และราคาสูง ส่วนซิลิคอนคาร์ไบด์นั้น หลังจากเจียรแล้ว ค่าความหยาบผิว RA มักจะสูงและความเรียบไม่ดี อย่างไรก็ตาม ความแข็งของซิลิกาไม่เพียงพอ (ความแข็งโมห์ 7) และแรงเจียรต่ำ ทำให้กระบวนการเจียรใช้เวลานานและต้องใช้แรงงานมาก ดังนั้น สารขัดโบรอนคาร์ไบด์ (ความแข็งโมห์ 9.3) จึงกลายเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการแปรรูปและเจียรผลึกแซฟไฟร์ และมีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมในการเจียรแผ่นเวเฟอร์แซฟไฟร์แบบสองด้าน และการทำให้บางลงและการขัดเงาด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ LED แบบเอพิแทกเซียลที่ใช้แซฟไฟร์เป็นฐาน
เป็นที่น่ากล่าวถึงว่า เมื่อโบรอนคาร์ไบด์มีอุณหภูมิสูงกว่า 600 องศาเซลเซียส พื้นผิวจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็นฟิล์ม B2O3 ซึ่งจะทำให้วัสดุอ่อนตัวลงในระดับหนึ่ง ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการเจียรแห้งที่อุณหภูมิสูงเกินไปในการใช้งานขัดถู แต่เหมาะสำหรับการขัดเงาด้วยของเหลวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม คุณสมบัตินี้ช่วยป้องกันไม่ให้ B4C เกิดการออกซิเดชันเพิ่มเติม ทำให้มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในการใช้งานวัสดุทนไฟ
2. การประยุกต์ใช้ในวัสดุทนไฟ
โบรอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติต้านทานการเกิดออกซิเดชันและทนต่ออุณหภูมิสูง โดยทั่วไปใช้เป็นวัสดุทนไฟขั้นสูงทั้งแบบขึ้นรูปและไม่ขึ้นรูป และใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโลหะวิทยาต่างๆ เช่น เตาเหล็กและอุปกรณ์เตาเผา
ด้วยความต้องการด้านการประหยัดพลังงานและการลดการใช้ทรัพยากรในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า รวมถึงการถลุงเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำพิเศษ การวิจัยและพัฒนาอิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนคาร์บอนต่ำ (โดยทั่วไปมีปริมาณคาร์บอน <8%) ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมจึงได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ จากอุตสาหกรรมทั้งในและต่างประเทศ ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพของอิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนคาร์บอนต่ำได้รับการปรับปรุงโดยทั่วไปโดยการปรับปรุงโครงสร้างคาร์บอนที่ยึดเกาะ ปรับโครงสร้างเมทริกซ์ของอิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนให้เหมาะสม และเติมสารต้านอนุมูลอิสระที่มีประสิทธิภาพสูง ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ผงคอมโพสิตสีดำที่ประกอบด้วยคาร์บอนกราไฟต์ซึ่งประกอบด้วยโบรอนคาร์ไบด์เกรดอุตสาหกรรมและคาร์บอนแบล็กกราไฟต์บางส่วน ถูกนำมาใช้เป็นแหล่งคาร์บอนและสารต้านอนุมูลอิสระสำหรับอิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนคาร์บอนต่ำ และได้ผลลัพธ์ที่ดี
เนื่องจากโบรอนคาร์ไบด์จะอ่อนตัวลงในระดับหนึ่งที่อุณหภูมิสูง จึงสามารถเกาะติดกับพื้นผิวของอนุภาควัสดุอื่นได้ แม้ว่าผลิตภัณฑ์จะมีความหนาแน่นสูงขึ้น ฟิล์มออกไซด์ B2O3 บนพื้นผิวก็สามารถสร้างเกราะป้องกันและทำหน้าที่ต้านอนุมูลอิสระได้ ในขณะเดียวกัน เนื่องจากผลึกทรงกระบอกที่เกิดจากปฏิกิริยาจะกระจายตัวอยู่ในเนื้อวัสดุและช่องว่างของวัสดุทนไฟ ความพรุนจึงลดลง ความแข็งแรงที่อุณหภูมิปานกลางดีขึ้น และปริมาตรของผลึกที่เกิดขึ้นจะขยายตัว ซึ่งสามารถซ่อมแซมการหดตัวของปริมาตรและลดรอยแตกได้
3. วัสดุกันกระสุนที่ใช้เพื่อเสริมสร้างความมั่นคงของชาติ
เนื่องจากมีความแข็งสูง ความแข็งแรงสูง ความหนาแน่นต่ำ และทนต่อกระสุนได้ดีเยี่ยม โบรอนคาร์ไบด์จึงสอดคล้องกับแนวโน้มของวัสดุกันกระสุนน้ำหนักเบาเป็นอย่างยิ่ง เป็นวัสดุกันกระสุนที่ดีที่สุดสำหรับการป้องกันเครื่องบิน ยานพาหนะ เกราะ และร่างกายมนุษย์ ในปัจจุบันบางประเทศได้เสนอโครงการวิจัยเกราะกันกระสุนโบรอนคาร์ไบด์ราคาประหยัด โดยมีเป้าหมายเพื่อส่งเสริมการใช้งานเกราะกันกระสุนโบรอนคาร์ไบด์ในวงกว้างในอุตสาหกรรมป้องกันประเทศ
4. การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์
โบรอนคาร์ไบด์มีค่าภาคตัดขวางการดูดซับนิวตรอนสูงและช่วงพลังงานนิวตรอนกว้าง และได้รับการยอมรับในระดับสากลว่าเป็นสารดูดซับนิวตรอนที่ดีที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ ในบรรดาสารเหล่านี้ ไอโซโทปโบรอน-10 มีค่าภาคตัดขวางความร้อนสูงถึง 347×10⁻²⁴ cm² ซึ่งเป็นรองเพียงธาตุบางชนิด เช่น แกโดลิเนียม ซาแมเรียม และแคดเมียม และเป็นสารดูดซับนิวตรอนความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ โบรอนคาร์ไบด์ยังมีทรัพยากรมาก ทนต่อการกัดกร่อน มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ไม่ก่อให้เกิดไอโซโทปรังสี และมีพลังงานรังสีทุติยภูมิต่ำ ดังนั้นโบรอนคาร์ไบด์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุควบคุมและวัสดุป้องกันในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูงใช้ระบบปิดเครื่องโดยใช้ลูกบอลดูดซับโบรอนเป็นระบบปิดเครื่องสำรอง ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ เมื่อระบบปิดเครื่องสำรองล้มเหลว ระบบปิดเครื่องสำรองจะใช้เม็ดโบรอนคาร์ไบด์จำนวนมากปล่อยลงมาอย่างอิสระในช่องของชั้นสะท้อนแสงของแกนเครื่องปฏิกรณ์ เป็นต้น เพื่อปิดเครื่องปฏิกรณ์และทำการปิดเครื่องแบบเย็น โดยที่ลูกบอลดูดซับเป็นลูกบอลกราไฟต์ที่มีโบรอนคาร์ไบด์อยู่ภายใน หน้าที่หลักของแกนโบรอนคาร์ไบด์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูงคือการควบคุมกำลังและความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์ อิฐคาร์บอนถูกเคลือบด้วยวัสดุดูดซับนิวตรอนโบรอนคาร์ไบด์ ซึ่งสามารถลดการแผ่รังสีนิวตรอนของภาชนะรับความดันของเครื่องปฏิกรณ์ได้
ในปัจจุบัน วัสดุโบริดที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุดังต่อไปนี้: โบรอนคาร์ไบด์ (แท่งควบคุม แท่งป้องกัน) กรดบอริก (ตัวหน่วงนิวตรอน สารหล่อเย็น) เหล็กโบรอน (แท่งควบคุมและวัสดุจัดเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และกากกัมมันตรังสี) โบรอนยูโรเปียม (วัสดุพิษที่เผาไหม้ได้ในแกนกลาง) เป็นต้น