A bór-karbid egy fémes csillogású fekete kristály, más néven fekete gyémánt, amely szervetlen nemfémes anyagokhoz tartozik. Jelenleg mindenki ismeri a bór-karbid anyagát, ami talán a golyóálló páncélok alkalmazásának köszönhető, mivel a kerámiaanyagok között a legalacsonyabb sűrűségű, nagy rugalmassági modulussal és nagy keménységgel rendelkezik, és jól kihasználja a mikrorepedéseket a lövedékek elnyelésére. Az energia hatása a lehető legalacsonyabb terhelés mellett is érvényesül. Valójában a bór-karbid számos más egyedi tulajdonsággal is rendelkezik, amelyek fontos szerepet játszhatnak a csiszolóanyagokban, tűzálló anyagokban, a nukleáris iparban, a repülőgépiparban és más területeken.
Tulajdonságokbór-karbid
Fizikai tulajdonságait tekintve a bór-karbid keménysége csak a gyémánt és a köbös bór-nitrid után van, és magas hőmérsékleten is képes nagy szilárdságot fenntartani, így ideális magas hőmérsékletű kopásálló anyagként használható; a bór-karbid sűrűsége nagyon kicsi (elméleti sűrűsége mindössze 2,52 g/cm3), könnyebb, mint a hagyományos kerámiaanyagok, és felhasználható a repülőgépiparban; a bór-karbid erős neutronabszorpciós képességgel, jó hőstabilitással és 2450 °C olvadásponttal rendelkezik, így széles körben használják a nukleáris iparban is. A neutronabszorpciós képesség tovább javítható B-elemek hozzáadásával; a specifikus morfológiájú és szerkezetű bór-karbid anyagok különleges fotoelektromos tulajdonságokkal is rendelkeznek; ezenkívül a bór-karbid magas olvadásponttal, magas rugalmassági modulusszal, alacsony tágulási együtthatóval és jó tulajdonságokkal rendelkezik. Ezek az előnyök számos területen, például a kohászatban, a vegyiparban, a gépiparban, a repülőgépiparban és a hadiiparban potenciális alkalmazási anyaggá teszik. Például korrózióálló és kopásálló alkatrészek, golyóálló páncélok, reaktorvezérlő rudak és termoelektromos elemek gyártása stb.
Kémiai tulajdonságok tekintetében a bór-karbid szobahőmérsékleten nem reagál savakkal, lúgokkal és a legtöbb szervetlen vegyülettel, szobahőmérsékleten alig reagál oxigénnel és halogéngázokkal, kémiai tulajdonságai stabilak. Ezenkívül a bór-karbid port halogénnel aktiválják acélboridálószerként, és a bór beszivárog az acél felületére, vas-borid filmet képezve, ezáltal növelve az anyag szilárdságát és kopásállóságát, kémiai tulajdonságai kiválóak.
Mindannyian tudjuk, hogy az anyag jellege határozza meg a felhasználást, tehát mely alkalmazásokban kiemelkedő teljesítményt nyújt a bór-karbid por?A K+F központ mérnökeiUrbanMines Tech.Co., Ltd. a következő összefoglalót készítette.
Alkalmazásabór-karbid
1. A bór-karbidot polírozó csiszolóanyagként használják
A bór-karbidot elsősorban zafír csiszolására és polírozására használják. A szuperkemény anyagok közül a bór-karbid keménysége jobb, mint az alumínium-oxidé és a szilícium-karbidé, a gyémánt és a köbös bór-nitrid után a második helyen áll. A zafír a legideálisabb hordozóanyag félvezető GaN/Al2O3 fénykibocsátó diódákhoz (LED-ekhez), nagyméretű integrált áramkörökhöz (SOI és SOS), valamint szupravezető nanoszerkezeti filmekhez. A felület simasága nagyon magas, és ultra-sima kell legyen, semmilyen mértékű sérülés nélkül. A zafírkristály nagy szilárdsága és nagy keménysége (Mohs-keménység 9) miatt nagy nehézségeket okoz a feldolgozó vállalatoknak.
Az anyagok és a köszörülés szempontjából a zafírkristályok megmunkálásához és köszörüléséhez legjobb anyagok a szintetikus gyémánt, a bór-karbid, a szilícium-karbid és a szilícium-dioxid. A mesterséges gyémánt keménysége túl magas (Mohs-keménység 10), a zafírlap köszörülése során megkarcolódik a felület, csökken a lap fényáteresztő képessége, és az ára is magas; a szilícium-karbid megmunkálása után az RA érdesség általában magas, a síkfelület pedig gyenge; azonban a szilícium-dioxid keménysége nem elegendő (Mohs-keménység 7), és a köszörülési erő gyenge, ami időigényes és munkaigényes a köszörülési folyamatban. Ezért a bór-karbid csiszolóanyag (Mohs-keménység 9,3) a zafírkristályok megmunkálásához és köszörüléséhez a legideálisabb anyaggá vált, és kiváló teljesítményt nyújt a zafírlap kétoldalas köszörülésében, valamint a zafír alapú LED epitaxiális lapkák visszavékonyításában és polírozásában.
Érdemes megemlíteni, hogy 600 °C felett a bór-karbid felülete B2O3 filmmé oxidálódik, ami bizonyos mértékig meglágyítja, ezért nem alkalmas túl magas hőmérsékleten történő száraz csiszolásra abrazív alkalmazásokban, csak polírozó folyékony csiszolásra. Ez a tulajdonság azonban megakadályozza a B4C további oxidációját, így egyedülálló előnyökkel rendelkezik a tűzálló anyagok alkalmazása során.
2. Alkalmazás tűzálló anyagokban
A bór-karbid antioxidáns és magas hőmérsékleti ellenállással rendelkezik. Általában fejlett formázott és formázatlan tűzálló anyagként használják, és széles körben alkalmazzák a kohászat különböző területein, például acélkályhákban és kemencebútorokban.
Az energiatakarékosság és a fogyasztás csökkentése iránti igényekkel a vas- és acéliparban, valamint az alacsony széntartalmú acél és az ultra-alacsony széntartalmú acél olvasztásában az alacsony széntartalmú magnézia-szén téglák (általában <8% széntartalom) kiváló teljesítményű kutatása és fejlesztése egyre nagyobb figyelmet kapott a hazai és külföldi iparban. Jelenleg az alacsony széntartalmú magnézia-szén téglák teljesítményét általában a kötött szénszerkezet javításával, a magnézia-szén téglák mátrixszerkezetének optimalizálásával és nagy hatékonyságú antioxidánsok hozzáadásával javítják. Ezek közül az ipari minőségű bór-karbidból és részben grafitizált koromból álló grafitizált szenet használják. Az alacsony széntartalmú magnézia-szén téglákhoz szénforrásként és antioxidánsként használt fekete kompozit por jó eredményeket ért el.
Mivel a bór-karbid magas hőmérsékleten bizonyos mértékig meglágyul, más anyagrészecskék felületéhez tapadhat. Még ha a termék tömörödik is, a felületen lévő B2O3-oxid film bizonyos védelmet képezhet és antioxidáns szerepet játszhat. Ugyanakkor, mivel a reakció során keletkező oszlopos kristályok eloszlanak a tűzálló anyag mátrixában és rései között, a porozitás csökken, a közepes hőmérsékleti szilárdság javul, és a keletkezett kristályok térfogata megnő, ami helyreállíthatja a térfogatzsugorodást és csökkentheti a repedéseket.
3. Golyóálló anyagok a nemzetvédelem fokozására
Nagy keménysége, nagy szilárdsága, kis fajsúlya és magas ballisztikus ellenállása miatt a bór-karbid különösen jól illeszkedik a könnyű golyóálló anyagok trendjéhez. Ez a legjobb golyóálló anyag repülőgépek, járművek, páncélok és emberi testek védelmére; jelenleg...Néhány országjavasoltak egy alacsony költségű bór-karbid ballisztikus páncélzattal kapcsolatos kutatást, amelynek célja a bór-karbid ballisztikus páncélzat széles körű elterjedésének elősegítése a védelmi iparban.
4. Alkalmazás a nukleáris iparban
A bór-karbid nagy neutronabszorpciós keresztmetszettel és széles neutronenergia-spektrummal rendelkezik, és nemzetközileg a nukleáris ipar legjobb neutronelnyelőjeként ismert. Ezek közül a bór-10 izotóp termikus keresztmetszete akár 347×10⁻⁹ cm² is lehet, amivel csak néhány elem, például a gadolínium, a szamárium és a kadmium után következik be, és hatékony termikus neutronelnyelő. Ezenkívül a bór-karbid gazdag erőforrásokban, korrózióálló, jó hőstabilitású, nem termel radioaktív izotópokat, és alacsony másodlagos sugárzási energiával rendelkezik, így a bór-karbidot széles körben használják vezérlőanyagként és árnyékolóanyagként az atomreaktorokban.
Például az atomiparban a magas hőmérsékletű gázhűtéses reaktorokban bór-elnyelő golyós leállító rendszert használnak második leállító rendszerként. Baleset esetén, amikor az első leállító rendszer meghibásodik, a második leállító rendszer nagyszámú bór-karbid pelletet használ, amelyek szabadon esnek a reaktormag fényvisszaverő rétegének csatornájába stb., hogy leállítsák a reaktort és megvalósítsák a hidegleállítást, ahol az elnyelő golyó egy bór-karbidot tartalmazó grafitgolyó. A bór-karbid mag fő funkciója a magas hőmérsékletű gázhűtéses reaktorban a reaktor teljesítményének és biztonságának szabályozása. A széntégla bór-karbid neutronelnyelő anyaggal van impregnálva, ami csökkentheti a reaktortartály neutronbesugárzását.
Jelenleg az atomreaktorok borid anyagai főként a következő anyagokat foglalják magukban: bór-karbid (szabályozórudak, árnyékolórudak), bórsav (moderátor, hűtőfolyadék), bóracél (szabályozórudak és tárolóanyagok nukleáris üzemanyaghoz és nukleáris hulladékhoz), bór-európium (magban elégethető mérgező anyag) stb.