کاربید بور یک کریستال سیاه با درخشش فلزی است که به الماس سیاه نیز معروف است و به مواد غیرفلزی معدنی تعلق دارد. در حال حاضر، همه با ماده کاربید بور آشنا هستند که ممکن است به دلیل کاربرد آن در زرههای ضد گلوله باشد، زیرا کمترین چگالی را در بین مواد سرامیکی دارد، از مزایای مدول الاستیک بالا و سختی بالا برخوردار است و میتواند به خوبی از ریزشکستگی برای جذب پرتابهها استفاده کند. اثر انرژی، در حالی که بار را تا حد امکان کم نگه میدارد. اما در واقع، کاربید بور خواص منحصر به فرد دیگری نیز دارد که میتواند نقش مهمی در سایندهها، مواد نسوز، صنایع هستهای، هوافضا و سایر زمینهها ایفا کند.
خواصکاربید بور
از نظر خواص فیزیکی، سختی کاربید بور تنها پس از الماس و نیترید بور مکعبی قرار دارد و همچنان میتواند در دماهای بالا استحکام بالایی را حفظ کند، که میتواند به عنوان یک ماده ایدهآل مقاوم در برابر سایش در دمای بالا مورد استفاده قرار گیرد. چگالی کاربید بور بسیار کم است (چگالی تئوری تنها 2.52 گرم بر سانتیمتر مکعب)، سبکتر از مواد سرامیکی معمولی است و میتواند در زمینه هوافضا مورد استفاده قرار گیرد. کاربید بور توانایی جذب نوترون قوی، پایداری حرارتی خوب و نقطه ذوب 2450 درجه سانتیگراد دارد، بنابراین در صنعت هستهای نیز به طور گسترده استفاده میشود. توانایی جذب نوترون نوترون را میتوان با افزودن عناصر B بیشتر بهبود بخشید. مواد کاربید بور با مورفولوژی و ساختار خاص نیز دارای خواص فوتوالکتریک ویژه هستند. علاوه بر این، کاربید بور دارای نقطه ذوب بالا، مدول الاستیک بالا، ضریب انبساط کم و ... است. این مزایا آن را به یک ماده کاربردی بالقوه در بسیاری از زمینهها مانند متالورژی، صنایع شیمیایی، ماشینآلات، هوافضا و صنایع نظامی تبدیل میکند. به عنوان مثال، قطعات مقاوم در برابر خوردگی و سایش، ساخت زرههای ضد گلوله، میلههای کنترل راکتور و عناصر ترموالکتریک و غیره.
از نظر خواص شیمیایی، کاربید بور در دمای اتاق با اسیدها، قلیاها و اکثر ترکیبات معدنی واکنش نمیدهد و به سختی با گازهای اکسیژن و هالوژن در دمای اتاق واکنش میدهد و خواص شیمیایی آن پایدار است. علاوه بر این، پودر کاربید بور توسط هالوژن به عنوان عامل بوردهی فولاد فعال میشود و بور روی سطح فولاد نفوذ میکند تا یک فیلم بورید آهن تشکیل دهد و در نتیجه استحکام و مقاومت در برابر سایش ماده را افزایش میدهد و خواص شیمیایی آن عالی است.
همه ما میدانیم که ماهیت ماده، کاربرد آن را تعیین میکند، بنابراین پودر کاربید بور در چه کاربردهایی عملکرد فوقالعادهای دارد؟مهندسان مرکز تحقیق و توسعهفناوری UrbanMinesشرکت با مسئولیت محدود خلاصه زیر را ارائه داد.
کاربردکاربید بور
۱. کاربید بور به عنوان ساینده صیقل دهنده استفاده میشود.
کاربرد کاربید بور به عنوان ساینده عمدتاً برای سنگ زنی و صیقل دادن یاقوت کبود استفاده میشود. در بین مواد فوق سخت، سختی کاربید بور از اکسید آلومینیوم و کاربید سیلیکون بهتر است و پس از الماس و نیترید بور مکعبی در رتبه دوم قرار دارد. یاقوت کبود ایدهآلترین ماده زیرلایه برای دیودهای ساطع کننده نور (LED) نیمه هادی GaN/Al2O3، مدارهای مجتمع SOI و SOS در مقیاس بزرگ و فیلمهای نانوساختار ابررسانا است. صافی سطح بسیار بالا است و باید فوق العاده صاف و بدون درجه آسیب باشد. به دلیل استحکام و سختی بالای کریستال یاقوت کبود (سختی موهس 9)، مشکلات زیادی را برای شرکتهای فرآوری به همراه داشته است.
از دیدگاه مواد و سنگزنی، بهترین مواد برای پردازش و سنگزنی کریستالهای یاقوت کبود، الماس مصنوعی، کاربید بور، کاربید سیلیکون و دیاکسید سیلیکون هستند. سختی الماس مصنوعی بسیار بالا است (سختی موهس ۱۰) هنگام سنگزنی ویفر یاقوت کبود، سطح را خراش میدهد، بر انتقال نور ویفر تأثیر میگذارد و قیمت آن گران است. پس از برش کاربید سیلیکون، زبری RA معمولاً بالا و صافی آن ضعیف است. با این حال، سختی سیلیس کافی نیست (سختی موهس ۷) و نیروی سنگزنی ضعیف است که در فرآیند سنگزنی زمانبر و پرزحمت است. بنابراین، ساینده کاربید بور (سختی موهس ۹.۳) به ایدهآلترین ماده برای پردازش و سنگزنی کریستالهای یاقوت کبود تبدیل شده است و عملکرد بسیار خوبی در سنگزنی دو طرفه ویفرهای یاقوت کبود و نازک شدن و صیقل دادن ویفرهای اپیتاکسیال LED مبتنی بر یاقوت کبود دارد.
شایان ذکر است که وقتی کاربید بور بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد باشد، سطح به لایه نازک B2O3 اکسید میشود که آن را تا حدی نرم میکند، بنابراین برای سنگزنی خشک در دمای خیلی بالا در کاربردهای ساینده مناسب نیست و فقط برای صیقل دادن سنگزنی مایع مناسب است. با این حال، این خاصیت از اکسید شدن بیشتر B4C جلوگیری میکند و باعث میشود مزایای منحصر به فردی در کاربرد مواد نسوز داشته باشد.
۲. کاربرد در مواد نسوز
کاربید بور دارای ویژگیهای ضد اکسیداسیون و مقاومت در برابر دمای بالا است. عموماً به عنوان مواد نسوز پیشرفته شکلدار و بدون شکل استفاده میشود و به طور گسترده در زمینههای مختلف متالورژی مانند اجاقهای فولادی و مبلمان کوره مورد استفاده قرار میگیرد.
با توجه به نیاز به صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف در صنعت آهن و فولاد و ذوب فولاد کمکربن و فولاد فوقالعاده کمکربن، تحقیق و توسعه آجرهای منیزیا-کربن کمکربن (عموماً کمتر از 8٪ کربن) با عملکرد عالی، توجه صنایع داخلی و خارجی را بیش از پیش به خود جلب کرده است. در حال حاضر، عملکرد آجرهای منیزیا-کربن کمکربن عموماً با بهبود ساختار کربن پیوندی، بهینهسازی ساختار ماتریس آجرهای منیزیا-کربن و افزودن آنتیاکسیدانهای با راندمان بالا بهبود مییابد. در میان آنها، از کربن گرافیتیشده متشکل از کاربید بور درجه صنعتی و کربن سیاه تا حدی گرافیتیشده استفاده میشود. پودر کامپوزیت سیاه، که به عنوان منبع کربن و آنتیاکسیدان برای آجرهای منیزیا-کربن کمکربن استفاده میشود، نتایج خوبی به دست آورده است.
از آنجایی که کاربید بور در دمای بالا تا حدی نرم میشود، میتواند به سطح ذرات مواد دیگر متصل شود. حتی اگر محصول متراکم شده باشد، لایه اکسید B2O3 روی سطح میتواند یک محافظ خاص ایجاد کند و نقش ضد اکسیداسیون ایفا کند. در عین حال، از آنجا که کریستالهای ستونی تولید شده توسط واکنش در ماتریس و شکافهای ماده نسوز توزیع میشوند، تخلخل کاهش مییابد، استحکام دمای متوسط بهبود مییابد و حجم کریستالهای تولید شده افزایش مییابد که میتواند انقباض حجمی را بهبود بخشد و ترکها را کاهش دهد.
۳. مواد ضد گلوله مورد استفاده برای افزایش دفاع ملی
کاربید بور به دلیل سختی بالا، استحکام بالا، وزن مخصوص کم و مقاومت بالستیک بالا، به ویژه با روند مواد ضد گلوله سبک وزن مطابقت دارد. این ماده بهترین ماده ضد گلوله برای محافظت از هواپیماها، وسایل نقلیه، زره پوش و بدن انسان است. در حال حاضر،برخی کشورهاتحقیقات کمهزینهای در مورد زرههای ضد بالستیک کاربید بور ارائه دادهاند که هدف آن ترویج استفاده گسترده از زرههای ضد بالستیک کاربید بور در صنعت دفاعی است.
۴. کاربرد در صنعت هستهای
کاربید بور دارای سطح مقطع جذب نوترون بالا و طیف انرژی نوترونی گستردهای است و در سطح بینالمللی به عنوان بهترین جاذب نوترون برای صنعت هستهای شناخته میشود. در میان آنها، بخش حرارتی ایزوتوپ بور-۱۰ به بزرگی ۳۴۷×۱۰-۲۴ سانتیمتر مربع است که پس از چند عنصر مانند گادولینیوم، ساماریوم و کادمیوم در رتبه دوم قرار دارد و یک جاذب نوترون حرارتی کارآمد است. علاوه بر این، کاربید بور غنی از منابع، مقاوم در برابر خوردگی، پایداری حرارتی خوب، عدم تولید ایزوتوپهای رادیواکتیو و انرژی پرتو ثانویه کم است، بنابراین کاربید بور به طور گسترده به عنوان مواد کنترلی و مواد محافظ در راکتورهای هستهای استفاده میشود.
برای مثال، در صنعت هستهای، راکتور خنکشده با گاز با دمای بالا از سیستم خاموشسازی توپ جاذب بور به عنوان سیستم خاموشسازی دوم استفاده میکند. در صورت بروز حادثه، هنگامی که سیستم خاموشسازی اول از کار میافتد، سیستم خاموشسازی دوم از تعداد زیادی گلوله کاربید بور با سقوط آزاد به کانال لایه بازتابنده هسته راکتور و غیره برای خاموش کردن راکتور و تحقق خاموشسازی سرد استفاده میکند، که در آن توپ جاذب یک توپ گرافیتی حاوی کاربید بور است. عملکرد اصلی هسته کاربید بور در راکتور خنکشده با گاز با دمای بالا، کنترل قدرت و ایمنی راکتور است. آجر کربنی با ماده جاذب نوترون کاربید بور آغشته شده است که میتواند تابش نوترونی مخزن تحت فشار راکتور را کاهش دهد.
در حال حاضر، مواد بورید برای راکتورهای هستهای عمدتاً شامل مواد زیر است: کاربید بور (میلههای کنترل، میلههای محافظ)، اسید بوریک (کندکننده، خنککننده)، فولاد بور (میلههای کنترل و مواد ذخیرهسازی برای سوخت هستهای و زبالههای هستهای)، بور یوروپیوم (ماده سمی قابل احتراق هسته) و غیره.