Boorkarbiid on metallilise läikega must kristall, tuntud ka kui must teemant, mis kuulub anorgaaniliste mittemetalliliste materjalide hulka. Praegu tunneb boorkarbiid materjalina kõiki, mis võib olla tingitud kuulikindlate soomuste kasutamisest, kuna sellel on keraamiliste materjalide seas madalaim tihedus, kõrge elastsusmooduli ja suure kõvaduse eelised ning see suudab hästi ära kasutada mikropragunemist mürskude absorbeerimiseks. Energiaefekt hoiab koormuse võimalikult madalana. Tegelikult on boorkarbiidil aga palju muid ainulaadseid omadusi, mis muudavad selle oluliseks abrasiivide, tulekindlate materjalide, tuumatööstuse, lennunduse ja muude valdkondade jaoks.
Omadusedboorkarbiid
Füüsikaliste omaduste poolest on boorkarbiidi kõvadus vaid teemandi ja kuubilise boornitriidi järel ning see suudab säilitada kõrge tugevuse kõrgetel temperatuuridel, mistõttu seda saab kasutada ideaalse kõrge temperatuuriga kulumiskindla materjalina; boorkarbiidi tihedus on väga väike (teoreetiline tihedus on vaid 2,52 g/cm3), see on tavalistest keraamilistest materjalidest kergem ja seda saab kasutada lennunduses; boorkarbiidil on tugev neutronite neeldumisvõime, hea termiline stabiilsus ja sulamistemperatuur 2450 °C, seega kasutatakse seda laialdaselt ka tuumatööstuses. Neutronite neeldumisvõimet saab veelgi parandada B-elementide lisamisega; spetsiifilise morfoloogia ja struktuuriga boorkarbiidmaterjalidel on ka spetsiaalsed fotoelektrilised omadused; lisaks on boorkarbiidil kõrge sulamistemperatuur, kõrge elastsusmoodul, madal paisumiskoefitsient ja head omadused. Need eelised muudavad selle potentsiaalseks rakendusmaterjaliks paljudes valdkondades, nagu metallurgia, keemiatööstus, masinaehitus, lennundus ja sõjatööstus. Näiteks korrosioonikindlate ja kulumiskindlate osade valmistamiseks, kuulikindlate soomuste, reaktori juhtimisvardade ja termoelektriliste elementide valmistamiseks jne.
Keemiliste omaduste poolest ei reageeri boorkarbiid toatemperatuuril hapete, leeliste ja enamiku anorgaaniliste ühenditega ning reageerib toatemperatuuril hapniku ja halogeengaasidega vaevalt ning selle keemilised omadused on stabiilsed. Lisaks aktiveerib boorkarbiidi pulber halogeeni abil terase borideeriva ainena ja boor imbub terase pinnale, moodustades raudboriidi kile, suurendades seeläbi materjali tugevust ja kulumiskindlust ning selle keemilised omadused on suurepärased.
Me kõik teame, et materjali olemus määrab kasutuse, seega millistes rakendustes on boorkarbiidipulbril silmapaistvad omadused?Teadus- ja arenduskeskuse inseneridUrbanMines Tech.Co., Ltd. tegi järgmise kokkuvõtte.
Kohaldamineboorkarbiid
1. Boorkarbiidi kasutatakse poleerimisabrasiivina
Boorkarbiidi abrasiivmaterjalina kasutatakse peamiselt safiiri lihvimisel ja poleerimisel. Ülikõvadest materjalidest on boorkarbiidi kõvadus parem kui alumiiniumoksiidil ja ränikarbiidil, jäädes alla vaid teemandile ja kuubilisele boornitriidile. Safiir on pooljuhtide GaN/Al2O3 valgusdioodide (LED-ide), suuremahuliste integraallülituste SOI ja SOS ning ülijuhtivate nanostruktuurikilede jaoks kõige ideaalsem alusmaterjal. Pinna siledus on väga kõrge ja peab olema ülisile, ilma kahjustusteta. Safiirkristalli kõrge tugevuse ja kõvaduse (Mohsi kõvadus 9) tõttu on see töötlemisettevõtetele suuri raskusi tekitanud.
Materjalide ja lihvimise seisukohast on safiirkristallide töötlemiseks ja lihvimiseks parimad materjalid sünteetiline teemant, boorkarbiid, ränikarbiid ja ränidioksiid. Kunstliku teemandi kõvadus on liiga kõrge (Mohsi kõvadus 10), safiirplaadi lihvimisel kriimustatakse pinda, mõjutatakse plaadi valguse läbilaskvust ja hind on kõrge; ränikarbiidi lõikamisel on karedus (RA) tavaliselt kõrge ja tasasus halb; ränikarbiidi kõvadus ei ole aga piisav (Mohsi kõvadus 7) ja lihvimisjõud on halb, mis on lihvimisprotsessis aeganõudev ja töömahukas. Seetõttu on boorkarbiidist abrasiiv (Mohsi kõvadus 9,3) saanud safiirkristallide töötlemiseks ja lihvimiseks kõige ideaalsem materjal ning sellel on suurepärased omadused safiirplaatide kahepoolsel lihvimisel ning safiirpõhiste LED-epitaksiaalsete plaatide tagasihõõrumisel ja poleerimisel.
Väärib märkimist, et kui boorkarbiid on üle 600 °C, oksüdeerub selle pind B2O3 kileks, mis seda teatud määral pehmendab, seega ei sobi see abrasiivsetes rakendustes liiga kõrgel temperatuuril kuiva lihvimiseks, vaid ainult vedela lihvimise poleerimiseks. See omadus aga takistab B4C edasist oksüdeerumist, andes sellele ainulaadsed eelised tulekindlate materjalide kasutamisel.
2. Kasutamine tulekindlates materjalides
Boorkarbiidil on antioksüdatsiooni ja kõrge temperatuurikindluse omadused. Seda kasutatakse üldiselt täiustatud vormitud ja vormimata tulekindlate materjalidena ning seda kasutatakse laialdaselt metallurgia erinevates valdkondades, näiteks terasahjudes ja ahjumööblis.
Raua- ja terasetööstuse energiasäästu ja tarbimise vähendamise vajaduste ning madala süsinikusisaldusega terase ja ülimadala süsinikusisaldusega terase sulatamise tõttu on suurepärase jõudlusega madala süsinikusisaldusega magneesiumoksiid-süsiniktelliste (üldiselt <8% süsinikusisaldus) uurimine ja arendamine pälvinud üha enam tähelepanu nii kodumaistelt kui ka välismaistelt tööstusharudelt. Praegu parandatakse madala süsinikusisaldusega magneesiumoksiid-süsiniktelliste jõudlust üldiselt liimitud süsiniku struktuuri parandamise, magneesiumoksiid-süsiniktelliste maatriksstruktuuri optimeerimise ja suure tõhususega antioksüdantide lisamise teel. Nende hulgas kasutatakse grafiititud süsinikku, mis koosneb tööstusliku kvaliteediga boorkarbiidist ja osaliselt grafiititud süsinikmustast. Madala süsinikusisaldusega magneesiumoksiid-süsiniktelliste süsinikuallikana ja antioksüdandina kasutatav must komposiitpulber on andnud häid tulemusi.
Kuna boorkarbiid pehmeneb kõrgel temperatuuril teatud määral, võib see kinnituda teiste materjalide osakeste pinnale. Isegi kui toodet tihendatakse, võib pinnal olev B2O3 oksiidikile moodustada teatud kaitse ja mängida antioksüdantset rolli. Samal ajal, kuna reaktsiooni käigus tekkivad sammaskristallid jaotuvad tulekindla materjali maatriksi ja piludesse, väheneb poorsus, paraneb keskmise temperatuuri tugevus ja tekkivate kristallide maht suureneb, mis aitab parandada mahu kokkutõmbumist ja vähendada pragusid.
3. Kuulikindlad materjalid, mida kasutatakse riigikaitse tugevdamiseks
Tänu oma kõrgele kõvadusele, suurele tugevusele, väikesele erikaalule ja kõrgele ballistilisele vastupidavusele on boorkarbiid eriti kooskõlas kergete kuulikindlate materjalide trendiga. See on parim kuulikindel materjal õhusõidukite, sõidukite, soomuste ja inimkehade kaitsmiseks; praegu...Mõned riigidon pakkunud välja odava boorkarbiidist antibalistiliste soomuste uuringu, mille eesmärk on edendada boorkarbiidist antibalistiliste soomuste laialdast kasutamist kaitsetööstuses.
4. Rakendus tuumatööstuses
Boorkarbiidil on kõrge neutronite neeldumise ristlõige ja lai neutronite energiaspekter ning see on rahvusvaheliselt tunnustatud kui parim neutronite neelaja tuumatööstuses. Nende hulgas on boor-10 isotoobi termiline ristlõige koguni 347 × 10⁻²⁴ cm², jäädes alla vaid mõnele elemendile, nagu gadoliinium, samaarium ja kaadmium, ning on tõhus termiline neutronite neelaja. Lisaks on boorkarbiid ressursirikas, korrosioonikindel, hea termilise stabiilsusega, ei tooda radioaktiivseid isotoope ja tal on madal sekundaarkiirguse energia, mistõttu boorkarbiidi kasutatakse laialdaselt tuumareaktorites kontrollmaterjalina ja varjestusmaterjalina.
Näiteks tuumaenergiatööstuses kasutatakse kõrgtemperatuuril töötavas gaasijahutusega reaktoris teise seiskamissüsteemina boori neelavat kuuli tüüpi seiskamissüsteemi. Õnnetuse korral, kui esimene seiskamissüsteem peaks rikki minema, kasutab teine seiskamissüsteem reaktori seiskamiseks ja külma seiskamise teostamiseks suurt hulka boorkarbiidi graanuleid, mis langevad vabalt reaktori südamiku peegeldava kihi kanalisse jne. Neelava kuuli moodustab grafiitkuul, mis sisaldab boorkarbiidi. Boorkarbiidi südamiku peamine ülesanne kõrgtemperatuuril töötavas gaasijahutusega reaktoris on reaktori võimsuse ja ohutuse reguleerimine. Süsiniktellis on immutatud boorkarbiidi neutroneid neelava materjaliga, mis võib vähendada reaktori rõhuanuma neutronkiirgust.
Praegu hõlmavad tuumareaktorite boriidmaterjalid peamiselt järgmisi materjale: boorkarbiid (kontrollvardad, varjestusvardad), boorhape (moderaator, jahutusvedelik), boorteras (kontrollvardad ja tuumkütuse ning tuumajäätmete hoiustamismaterjalid), boor euroopium (südamikus põlev mürkmaterjal) jne.