Boron cacbua là một tinh thể màu đen có ánh kim loại, còn được gọi là kim cương đen, thuộc về vật liệu phi kim loại vô cơ. Hiện nay, mọi người đều quen thuộc với vật liệu boron cacbua, có thể là do ứng dụng áo giáp chống đạn, vì nó có mật độ thấp nhất trong số các vật liệu gốm, có ưu điểm là mô đun đàn hồi cao và độ cứng cao, đồng thời có thể đạt được hiệu quả sử dụng tốt. của vết nứt vi mô để hấp thụ đạn. Tác dụng của năng lượng, đồng thời giữ tải ở mức thấp nhất có thể. Nhưng trên thực tế, boron cacbua có nhiều đặc tính độc đáo khác, có thể khiến nó đóng vai trò quan trọng trong chất mài mòn, vật liệu chịu lửa, công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.
Thuộc tính củacacbua boron
Về tính chất vật lý, độ cứng của cacbua boron chỉ sau kim cương và boron nitrit khối, và nó vẫn có thể duy trì độ bền cao ở nhiệt độ cao, có thể được sử dụng làm vật liệu chống mài mòn ở nhiệt độ cao lý tưởng; mật độ cacbua boron rất nhỏ (mật độ lý thuyết chỉ 2,52 g / cm3), nhẹ hơn vật liệu gốm thông thường và có thể được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ; cacbua boron có khả năng hấp thụ neutron mạnh, ổn định nhiệt tốt và nhiệt độ nóng chảy 2450 ° C nên cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hạt nhân. Khả năng hấp thụ neutron của neutron có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thêm các nguyên tố B; vật liệu cacbua boron có hình thái và cấu trúc cụ thể cũng có đặc tính quang điện đặc biệt; Ngoài ra, boron cacbua có nhiệt độ nóng chảy cao, mô đun đàn hồi cao, hệ số giãn nở thấp và tốt. Những ưu điểm này khiến nó trở thành vật liệu ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, công nghiệp hóa chất, máy móc, hàng không vũ trụ và công nghiệp quân sự. Ví dụ, các bộ phận chống ăn mòn và chống mài mòn, chế tạo áo giáp chống đạn, thanh điều khiển lò phản ứng và các bộ phận nhiệt điện, v.v.
Về tính chất hóa học, boron cacbua không phản ứng với axit, kiềm và hầu hết các hợp chất vô cơ ở nhiệt độ phòng và hầu như không phản ứng với khí oxy và halogen ở nhiệt độ phòng và tính chất hóa học của nó ổn định. Ngoài ra, bột cacbua boron được kích hoạt bằng halogen như một tác nhân tạo boron cho thép, và boron được thấm vào bề mặt thép để tạo thành màng boride sắt, từ đó tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn của vật liệu, đồng thời tính chất hóa học của nó rất tuyệt vời.
Chúng ta đều biết rằng bản chất của vật liệu quyết định công dụng, vậy bột boron cacbua có công dụng vượt trội trong những ứng dụng nào?Các kỹ sư của trung tâm R&DCông nghệ UrbanMines.Co., Ltd. đã đưa ra bản tóm tắt sau đây.
Ứng dụng củacacbua boron
1. Cacbua Boron được sử dụng làm chất mài mòn đánh bóng
Việc sử dụng cacbua boron làm chất mài mòn chủ yếu được sử dụng để mài và đánh bóng sapphire. Trong số các vật liệu siêu cứng, độ cứng của boron cacbua tốt hơn so với nhôm oxit và cacbua silic, chỉ đứng sau kim cương và boron nitrit khối. Sapphire là vật liệu nền lý tưởng nhất cho điốt phát sáng GaN/Al 2 O3 (LED), mạch tích hợp quy mô lớn SOI và SOS, và màng cấu trúc nano siêu dẫn. Độ mịn của bề mặt rất cao và phải cực kỳ mịn Không có mức độ hư hại. Do độ bền và độ cứng cao của tinh thể sapphire (độ cứng Mohs 9) đã gây khó khăn lớn cho các doanh nghiệp gia công.
Từ góc độ vật liệu và quá trình mài, vật liệu tốt nhất để gia công và mài tinh thể sapphire là kim cương tổng hợp, cacbua boron, cacbua silic và silicon dioxide. Độ cứng của kim cương nhân tạo quá cao (độ cứng Mohs 10) khi mài tấm sapphire sẽ làm xước bề mặt, ảnh hưởng đến độ truyền ánh sáng của tấm wafer và giá thành đắt; sau khi cắt cacbua silic, độ nhám RA thường cao và độ phẳng kém; Tuy nhiên, độ cứng của silica không đủ (độ cứng Mohs 7), lực mài kém, tốn nhiều thời gian và công sức trong quá trình mài. Do đó, chất mài mòn cacbua boron (độ cứng Mohs 9,3) đã trở thành vật liệu lý tưởng nhất để xử lý và mài tinh thể sapphire, đồng thời có hiệu suất tuyệt vời trong việc mài hai mặt tấm sapphire và làm mỏng mặt sau và đánh bóng tấm wafer LED dựa trên sapphire.
Điều đáng nói là khi boron cacbua ở nhiệt độ trên 600 ° C, bề mặt sẽ bị oxy hóa thành màng B2O3, sẽ làm mềm nó ở một mức độ nhất định, do đó không thích hợp để mài khô ở nhiệt độ quá cao trong các ứng dụng mài mòn, chỉ thích hợp để đánh bóng chất lỏng mài. Tuy nhiên, đặc tính này ngăn B4C bị oxy hóa thêm, khiến nó có những ưu điểm độc đáo trong ứng dụng vật liệu chịu lửa.
2. Ứng dụng trong vật liệu chịu lửa
Cacbua Boron có đặc tính chống oxy hóa và chịu nhiệt độ cao. Nó thường được sử dụng làm vật liệu chịu lửa có hình dạng và không có hình dạng tiên tiến và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực luyện kim khác nhau, chẳng hạn như bếp thép và đồ nội thất lò nung.
Với nhu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu hao trong ngành sắt thép và luyện thép cacbon thấp và thép cacbon siêu thấp, việc nghiên cứu phát triển gạch magie-cacbon cacbon thấp (hàm lượng cacbon thường <8%) với hiệu suất tuyệt vời đã thu hút ngày càng nhiều sự chú ý từ các ngành công nghiệp trong và ngoài nước. Hiện nay, hiệu suất của gạch magie-cacbon cacbon thấp thường được cải thiện bằng cách cải thiện cấu trúc cacbon liên kết, tối ưu hóa cấu trúc ma trận của gạch magie-cacbon và bổ sung chất chống oxy hóa hiệu quả cao. Trong số đó, carbon được đồ họa hóa bao gồm cacbua boron cấp công nghiệp và than đen được đồ họa hóa một phần được sử dụng. Bột composite màu đen, được sử dụng làm nguồn carbon và chất chống oxy hóa cho gạch magiê-cacbon có hàm lượng carbon thấp, đã đạt được kết quả tốt.
Vì boron cacbua sẽ mềm đến một mức độ nhất định ở nhiệt độ cao nên nó có thể bám vào bề mặt của các hạt vật chất khác. Ngay cả khi sản phẩm được cô đặc, màng oxit B2O3 trên bề mặt có thể tạo thành một lớp bảo vệ nhất định và đóng vai trò chống oxy hóa. Đồng thời, do các tinh thể cột được tạo ra bởi phản ứng được phân bố trong ma trận và các khoảng trống của vật liệu chịu lửa, độ xốp giảm, độ bền nhiệt độ trung bình được cải thiện và thể tích của các tinh thể được tạo ra mở rộng, có thể chữa lành thể tích co ngót và giảm vết nứt.
3. Vật liệu chống đạn dùng để tăng cường quốc phòng
Do độ cứng cao, độ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ và khả năng chống đạn đạo cao, boron cacbua đặc biệt phù hợp với xu hướng vật liệu chống đạn nhẹ. Nó là vật liệu chống đạn tốt nhất để bảo vệ máy bay, xe cộ, áo giáp và cơ thể con người; Hiện nay,Một số nướcđã đề xuất nghiên cứu áo giáp chống đạn đạo boron cacbua chi phí thấp, nhằm mục đích thúc đẩy việc sử dụng áo giáp chống đạn đạo boron cacbua trên quy mô lớn trong ngành công nghiệp quốc phòng.
4. Ứng dụng trong ngành hạt nhân
Cacbua Boron có tiết diện hấp thụ neutron cao và phổ năng lượng neutron rộng, được quốc tế công nhận là chất hấp thụ neutron tốt nhất cho ngành công nghiệp hạt nhân. Trong số đó, tiết diện nhiệt của đồng vị boron-10 cao tới 347×10-24 cm2, chỉ đứng sau một số nguyên tố như gadolinium, samarium và cadmium, đồng thời là chất hấp thụ neutron nhiệt hiệu quả. Ngoài ra, boron cacbua rất giàu tài nguyên, chống ăn mòn, ổn định nhiệt tốt, không tạo ra đồng vị phóng xạ và có năng lượng tia thứ cấp thấp nên boron cacbua được sử dụng rộng rãi làm vật liệu điều khiển và vật liệu che chắn trong lò phản ứng hạt nhân.
Ví dụ, trong ngành công nghiệp hạt nhân, lò phản ứng làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao sử dụng hệ thống tắt bóng hấp thụ boron làm hệ thống tắt thứ hai. Trong trường hợp xảy ra tai nạn, khi hệ thống tắt máy đầu tiên bị lỗi, hệ thống tắt máy thứ hai sử dụng một số lượng lớn các viên boron cacbua rơi tự do vào kênh của lớp phản xạ của lõi lò phản ứng, v.v., để tắt lò phản ứng và nhận ra lạnh tắt máy, trong đó quả cầu hấp thụ là một quả cầu than chì chứa bo cacbua. Chức năng chính của lõi boron cacbua trong lò phản ứng làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao là kiểm soát công suất và độ an toàn của lò phản ứng. Gạch carbon được tẩm vật liệu hấp thụ neutron boron cacbua, có thể làm giảm bức xạ neutron của bình áp suất lò phản ứng.
Hiện nay, vật liệu boride cho lò phản ứng hạt nhân chủ yếu bao gồm các vật liệu sau: cacbua boron (thanh điều khiển, thanh chắn), axit boric (chất điều tiết, chất làm mát), thép boron (thanh điều khiển và vật liệu lưu trữ nhiên liệu hạt nhân và chất thải hạt nhân), boron Europium (vật liệu độc hại có thể đốt cháy lõi), v.v.