Boro karbidas yra juodas kristalas su metaliniu blizgesiu, dar žinomas kaip juodasis deimantas, priklausantis neorganinėms nemetalinėms medžiagoms. Šiuo metu visi yra susipažinę su boro karbido medžiaga, galbūt dėl to, kad jis naudojamas neperšaunamuose šarvuose, nes tarp keraminių medžiagų jo tankis yra mažiausias, jis pasižymi dideliu elastingumo moduliu ir kietumu, todėl gali gerai panaudoti mikroįtrūkimus sviediniams sugerti. Energijos poveikis išlieka kuo mažesnis, o apkrova išlieka kuo mažesnė. Tačiau iš tikrųjų boro karbidas turi daug kitų unikalių savybių, kurios gali padaryti jį svarbų vaidmenį abrazyvuose, ugniai atspariose medžiagose, branduolinėje pramonėje, aviacijos ir kosmoso bei kitose srityse.
Savybėsboro karbidas
Kalbant apie fizikines savybes, boro karbido kietumas nusileidžia tik deimantams ir kubiniams boro nitridams, ir jis vis tiek gali išlaikyti didelį stiprumą aukštoje temperatūroje, todėl gali būti naudojamas kaip ideali medžiaga, atspari dilimui aukštoje temperatūroje; boro karbido tankis yra labai mažas (teorinis tankis yra tik 2,52 g/cm3), lengvesnis nei įprastos keraminės medžiagos, todėl gali būti naudojamas aviacijos ir kosmoso srityje; boro karbidas pasižymi dideliu neutronų sugerties gebėjimu, geru terminiu stabilumu ir lydymosi temperatūra yra 2450 °C, todėl jis taip pat plačiai naudojamas branduolinėje pramonėje. Neutronų sugerties gebėjimą galima dar labiau pagerinti pridedant B elementų; specifinės morfologijos ir struktūros boro karbido medžiagos taip pat turi ypatingų fotoelektrinių savybių; be to, boro karbidas turi aukštą lydymosi temperatūrą, didelį elastingumo modulį, mažą plėtimosi koeficientą ir geras savybes. Šie privalumai daro jį potencialia pritaikomąja medžiaga daugelyje sričių, tokių kaip metalurgija, chemijos pramonė, mašinų gamyba, aviacijos ir kosmoso bei karinė pramonė. Pavyzdžiui, korozijai ir dilimui atsparių dalių gamyboje, neperšaunamų šarvų, reaktorių valdymo strypų ir termoelektrinių elementų gamyboje ir kt.
Kalbant apie chemines savybes, boro karbidas kambario temperatūroje nereaguoja su rūgštimis, šarmais ir dauguma neorganinių junginių, beveik nereaguoja su deguonimi ir halogenų dujomis, o jo cheminės savybės yra stabilios. Be to, boro karbido milteliai aktyvuojami halogeno, kaip plieno borinimo agento, ir boras įsiskverbia į plieno paviršių, sudarydamas geležies borido plėvelę, taip padidindamas medžiagos stiprumą ir atsparumą dilimui, o jo cheminės savybės yra puikios.
Visi žinome, kad medžiagos pobūdis lemia jos panaudojimą, tad kokiose srityse boro karbido milteliai pasižymi išskirtinėmis savybėmis?Mokslinių tyrimų ir plėtros centro inžinieriaiUrbanMines Tech.Co., Ltd. pateikė tokią santrauką.
Taikymasboro karbidas
1. Boro karbidas naudojamas kaip poliravimo abrazyvas
Boro karbidas kaip abrazyvas daugiausia naudojamas safyro šlifavimui ir poliravimui. Tarp itin kietų medžiagų boro karbido kietumas yra geresnis nei aliuminio oksido ir silicio karbido, nusileisdamas tik deimantui ir kubiniam boro nitridui. Safyras yra idealiausia substrato medžiaga puslaidininkiniams GaN/Al₂O₃ šviesos diodams (LED), didelio masto integriniams grandynams SOI ir SOS bei superlaidžioms nanostruktūrų plėvelėms. Paviršius yra labai lygus ir turi būti itin lygus, be jokio pažeidimo laipsnio. Dėl didelio safyro kristalo stiprumo ir kietumo (9 Moso kietumas) jis sukėlė didelių sunkumų perdirbimo įmonėms.
Medžiagų ir šlifavimo požiūriu, geriausios safyro kristalų apdirbimo ir šlifavimo medžiagos yra sintetinis deimantas, boro karbidas, silicio karbidas ir silicio dioksidas. Dirbtinio deimanto kietumas yra per didelis (kietumas pagal Moso skalę 10), todėl šlifuojant safyro plokštelę, jis subraižo paviršių, paveikia plokštelės šviesos pralaidumą, o kaina yra didelė; pjaunant silicio karbidą, šiurkštumas (RA) paprastai yra didelis, o lygumas – prastas; tačiau silicio dioksido kietumas nėra pakankamas (kietumas pagal Moso skalę 7), o šlifavimo jėga prasta, todėl šlifavimo procesas užima daug laiko ir darbo. Todėl boro karbido abrazyvas (kietumas pagal Moso skalę 9,3) tapo idealiausia medžiaga safyro kristalams apdirbti ir šlifuoti, puikiai tinka dvipusiam safyro plokštelių šlifavimui ir safyro pagrindu pagamintų LED epitaksinių plokštelių retinimui bei poliravimui.
Verta paminėti, kad boro karbido temperatūrai viršijus 600 °C, paviršius oksiduojasi į B2O3 plėvelę, kuri jį tam tikru mastu suminkština, todėl jis netinka sausam šlifavimui per aukštoje temperatūroje abrazyvinėse srityse, tinka tik skystam šlifavimui poliruojant. Tačiau ši savybė neleidžia B4C toliau oksiduotis, todėl jis turi unikalių pranašumų naudojant ugniai atsparias medžiagas.
2. Taikymas ugniai atspariose medžiagose
Boro karbidas pasižymi antioksidacinėmis ir aukštos temperatūros savybėmis, jis paprastai naudojamas kaip pažangios formos ir neformuotos ugniai atsparios medžiagos ir yra plačiai naudojamas įvairiose metalurgijos srityse, tokiose kaip plieninės krosnys ir krosnių baldai.
Dėl energijos taupymo ir vartojimo mažinimo poreikių geležies ir plieno pramonėje bei mažai anglies turinčio ir itin mažai anglies turinčio plieno lydymo, mažai anglies turinčių magnio-anglies plytų (paprastai <8% anglies kiekis) su puikiomis eksploatacinėmis savybėmis tyrimai ir plėtra sulaukia vis daugiau dėmesio iš vidaus ir užsienio pramonės. Šiuo metu mažai anglies turinčių magnio-anglies plytų eksploatacinės savybės paprastai gerinamos tobulinant surištos anglies struktūrą, optimizuojant magnio-anglies plytų matricos struktūrą ir pridedant didelio efektyvumo antioksidantų. Tarp jų naudojama grafitizuota anglis, sudaryta iš pramoninės kokybės boro karbido ir iš dalies grafitizuotos juodosios anglies. Juodi kompoziciniai milteliai, naudojami kaip anglies šaltinis ir antioksidantas mažai anglies turinčioms magnio-anglies plytoms, davė gerų rezultatų.
Kadangi boro karbidas aukštoje temperatūroje tam tikru mastu suminkštėja, jis gali prisitvirtinti prie kitų medžiagų dalelių paviršiaus. Net ir sutankinus produktą, ant paviršiaus susidariusi B2O3 oksido plėvelė gali sudaryti tam tikrą apsaugą ir atlikti antioksidacinį vaidmenį. Tuo pačiu metu, kadangi reakcijos metu susidarę stulpeliniai kristalai pasiskirsto ugniai atsparios medžiagos matricoje ir tarpuose, sumažėja poringumas, pagerėja vidutinės temperatūros stiprumas ir išsiplečia susidariusių kristalų tūris, o tai gali išgydyti tūrio susitraukimą ir sumažinti įtrūkimus.
3. Neperšaunamos medžiagos, naudojamos nacionalinei gynybai stiprinti
Dėl didelio kietumo, didelio stiprumo, mažo savitojo svorio ir aukšto balistinio atsparumo boro karbidas ypač atitinka lengvų neperšaunamų medžiagų tendenciją. Tai geriausia neperšaunama medžiaga orlaiviams, transporto priemonėms, šarvams ir žmonių kūnams apsaugoti; šiuo metu...Kai kurios šalyspasiūlė nebrangių boro karbido antibalistinių šarvų tyrimus, kuriais siekiama skatinti plataus masto boro karbido antibalistinių šarvų naudojimą gynybos pramonėje.
4. Taikymas branduolinėje pramonėje
Boro karbidas pasižymi dideliu neutronų sugerties skerspjūviu ir plačiu neutronų energijos spektru, todėl yra tarptautiniu mastu pripažintas geriausiu neutronų absorberiu branduolinėje pramonėje. Iš jų boro-10 izotopo terminis pjūvis siekia net 347 × 10⁻⁷ cm², nusileisdamas tik keliems elementams, tokiems kaip gadolinis, samaris ir kadmis, ir yra efektyvus terminis neutronų absorberis. Be to, boro karbidas yra turtingas išteklių, atsparus korozijai, geras terminis stabilumas, neišskiria radioaktyviųjų izotopų ir turi mažą antrinių spindulių energiją, todėl boro karbidas plačiai naudojamas kaip valdymo ir ekranavimo medžiagos branduoliniuose reaktoriuose.
Pavyzdžiui, branduolinėje pramonėje aukštos temperatūros dujomis aušinamuose reaktoriuose kaip antroji išjungimo sistema naudojama boro sugeriančio rutulio išjungimo sistema. Avarijos atveju, kai sugenda pirmoji išjungimo sistema, antroji išjungimo sistema naudoja daug boro karbido granulių, kurios laisvai krenta į reaktoriaus šerdies atspindinčiojo sluoksnio kanalą ir pan., kad sustabdytų reaktorių ir užtikrintų šaltąjį išjungimą, o sugeriantis rutulys yra grafito rutulys, kuriame yra boro karbido. Pagrindinė boro karbido šerdies funkcija aukštos temperatūros dujomis aušinamuose reaktoriuose yra valdyti reaktoriaus galią ir saugą. Anglies plyta yra impregnuota boro karbido neutronus sugeriančia medžiaga, kuri gali sumažinti reaktoriaus slėgio indo neutronų spinduliuotę.
Šiuo metu branduolinių reaktorių borido medžiagos daugiausia apima šias medžiagas: boro karbidą (valdymo strypus, ekranavimo strypus), boro rūgštį (moderatorių, aušinimo skystį), boro plieną (valdymo strypus ir branduolinio kuro bei branduolinių atliekų saugojimo medžiagas), borą europį (aktyviąją zoną deginančią nuodingą medžiagą) ir kt.