बोरॉन कार्बाइड हा धातूसारखी चमक असलेला एक काळा स्फटिक आहे, ज्याला काळा हिरा म्हणूनही ओळखले जाते आणि तो अजैविक अधातू पदार्थांच्या गटात मोडतो. सध्या, बोरॉन कार्बाइड या पदार्थाशी प्रत्येकजण परिचित आहे, याचे कारण कदाचित बुलेटप्रूफ चिलखतातील त्याचा वापर असू शकतो. कारण सिरॅमिक पदार्थांमध्ये त्याची घनता सर्वात कमी आहे, त्यात उच्च लवचिक गुणांक आणि उच्च कठीणपणाचे फायदे आहेत, आणि तो गोळ्यांची ऊर्जा शोषून घेण्यासाठी सूक्ष्म-भंग तंत्राचा चांगला वापर करू शकतो, तसेच भार शक्य तितका कमी ठेवू शकतो. परंतु वास्तविक पाहता, बोरॉन कार्बाइडमध्ये इतरही अनेक अद्वितीय गुणधर्म आहेत, ज्यामुळे तो अपघर्षक, उष्णतारोधक पदार्थ, अणुउद्योग, अंतराळ आणि इतर क्षेत्रांमध्ये महत्त्वाची भूमिका बजावू शकतो.
गुणधर्मबोरॉन कार्बाइड
भौतिक गुणधर्मांच्या बाबतीत, बोरॉन कार्बाइडची कठीणता हिरा आणि क्यूबिक बोरॉन नायट्राइडनंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे, आणि ते उच्च तापमानातही आपली उच्च शक्ती टिकवून ठेवू शकते, ज्यामुळे त्याचा वापर एक आदर्श उच्च-तापमान झीज-प्रतिरोधक सामग्री म्हणून केला जाऊ शकतो; बोरॉन कार्बाइडची घनता खूप कमी आहे (सैद्धांतिक घनता फक्त २.५२ ग्रॅम/सेमी³), ते सामान्य सिरॅमिक सामग्रीपेक्षा हलके आहे आणि त्याचा वापर अंतराळ क्षेत्रात केला जाऊ शकतो; बोरॉन कार्बाइडमध्ये मजबूत न्यूट्रॉन शोषण क्षमता, चांगली औष्णिक स्थिरता आणि २४५०°C चा वितळणांक आहे, त्यामुळे त्याचा वापर अणु उद्योगातही मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. B मूलद्रव्ये टाकून न्यूट्रॉन शोषण क्षमता आणखी सुधारली जाऊ शकते; विशिष्ट आकार आणि रचना असलेल्या बोरॉन कार्बाइड सामग्रीमध्ये विशेष प्रकाश-विद्युत गुणधर्म देखील असतात; याव्यतिरिक्त, बोरॉन कार्बाइडमध्ये उच्च वितळणांक, उच्च लवचिक गुणांक, कमी प्रसरण गुणांक आणि चांगले गुणधर्म आहेत. या फायद्यांमुळे ते धातूशास्त्र, रासायनिक उद्योग, यंत्रसामग्री, अंतराळ आणि लष्करी उद्योग यांसारख्या अनेक क्षेत्रांमध्ये एक संभाव्य अनुप्रयोग सामग्री बनते. उदाहरणार्थ, गंजरोधक आणि झीजरोधक भाग, बुलेटप्रूफ चिलखत बनवणे, रिॲक्टर कंट्रोल रॉड आणि थर्मोइलेक्ट्रिक घटक इत्यादी.
रासायनिक गुणधर्मांच्या बाबतीत, बोरॉन कार्बाइड सामान्य तापमानाला आम्ल, अल्कली आणि बहुतेक अजैविक संयुगांशी अभिक्रिया करत नाही, तसेच ऑक्सिजन आणि हॅलोजन वायूंसोबतही त्याची क्वचितच अभिक्रिया होते आणि त्याचे रासायनिक गुणधर्म स्थिर असतात. याव्यतिरिक्त, बोरॉन कार्बाइड पावडरला हॅलोजनद्वारे स्टील बोरायडिंग एजंट म्हणून सक्रिय केले जाते, आणि बोरॉन स्टीलच्या पृष्ठभागावर शिरून आयर्न बोराइडचा थर तयार होतो, ज्यामुळे पदार्थाची मजबुती आणि झीज-प्रतिरोधकता वाढते, आणि त्याचे रासायनिक गुणधर्म उत्कृष्ट असतात.
आपल्या सर्वांना माहीत आहे की पदार्थाच्या स्वरूपानुसार त्याचा उपयोग ठरतो, तर मग कोणत्या उपयोगांमध्ये बोरॉन कार्बाइड पावडर उत्कृष्ट कामगिरी करते?संशोधन आणि विकास केंद्रातील अभियंतेअर्बनमाइन्स टेक.कंपनी लिमिटेडने खालील सारांश सादर केला.
अर्जबोरॉन कार्बाइड
१. बोरॉन कार्बाइडचा वापर पॉलिशिंग अपघर्षक म्हणून केला जातो.
बोरॉन कार्बाइडचा अपघर्षक म्हणून वापर प्रामुख्याने नीलमच्या ग्राइंडिंग आणि पॉलिशिंगसाठी केला जातो. अतिकठीण पदार्थांमध्ये, बोरॉन कार्बाइडची कठीणता ॲल्युमिनियम ऑक्साईड आणि सिलिकॉन कार्बाइडपेक्षा चांगली असून, ती केवळ हिरा आणि क्यूबिक बोरॉन नायट्राइडनंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे. सेमीकंडक्टर GaN/Al₂O₃ प्रकाश-उत्सर्जक डायोड (LEDs), मोठ्या प्रमाणावरील एकात्मिक सर्किट्स (SOI आणि SOS), आणि अतिवाहक नॅनोस्ट्रक्चर फिल्म्ससाठी नीलम हा सर्वात आदर्श आधारभूत पदार्थ आहे. पृष्ठभागाचा गुळगुळीतपणा खूप जास्त असतो आणि तो कोणत्याही प्रकारच्या नुकसानीशिवाय अत्यंत गुळगुळीत असणे आवश्यक आहे. नीलम स्फटिकाच्या उच्च सामर्थ्यामुळे आणि उच्च कठीणतेमुळे (मोह्स कठीणता ९), प्रक्रिया करणाऱ्या उद्योगांसाठी मोठ्या अडचणी निर्माण झाल्या आहेत.
सामग्री आणि ग्राइंडिंगच्या दृष्टिकोनातून, सफायर क्रिस्टल्सवर प्रक्रिया आणि ग्राइंडिंग करण्यासाठी सर्वोत्तम सामग्री म्हणजे सिंथेटिक डायमंड, बोरॉन कार्बाइड, सिलिकॉन कार्बाइड आणि सिलिकॉन डायऑक्साइड. सफायर वेफरला ग्राइंड करताना कृत्रिम हिऱ्याची कठीणता खूप जास्त असते (मोह्स कठीणता १०), ज्यामुळे पृष्ठभागावर ओरखडे येतात, वेफरच्या प्रकाश पारगम्यतेवर परिणाम होतो आणि त्याची किंमतही जास्त असते; सिलिकॉन कार्बाइड कापल्यानंतर, पृष्ठभागाची खडबडीतपणा (RA) सहसा जास्त असतो आणि सपाटपणा कमी असतो; तथापि, सिलिकाची कठीणता पुरेशी नसते (मोह्स कठीणता ७), आणि ग्राइंडिंग फोर्स कमी असतो, ज्यामुळे ग्राइंडिंग प्रक्रिया वेळखाऊ आणि श्रमसाध्य ठरते. म्हणून, बोरॉन कार्बाइड अपघर्षक (मोह्स कठीणता ९.३) हे सफायर क्रिस्टल्सवर प्रक्रिया आणि ग्राइंडिंग करण्यासाठी सर्वात आदर्श सामग्री बनले आहे, आणि सफायर वेफर्सच्या दुहेरी बाजूच्या ग्राइंडिंगमध्ये तसेच सफायर-आधारित एलईडी एपिटॅक्सियल वेफर्सच्या मागील बाजूस पातळ आणि पॉलिशिंगमध्ये त्याची उत्कृष्ट कामगिरी दिसून येते.
हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की, जेव्हा बोरॉन कार्बाइड ६००°C पेक्षा जास्त तापमानावर असते, तेव्हा त्याच्या पृष्ठभागाचे ऑक्सिडीकरण होऊन B2O3 चा थर तयार होतो, ज्यामुळे तो काही प्रमाणात मऊ होतो. त्यामुळे, अपघर्षक अनुप्रयोगांमध्ये (abrasive applications) अति उच्च तापमानावर कोरड्या ग्राइंडिंगसाठी (dry grinding) ते योग्य नाही, केवळ पॉलिशिंग लिक्विड ग्राइंडसाठीच (polishing liquid grind) उपयुक्त आहे. तथापि, हा गुणधर्म B4C ला पुढील ऑक्सिडीकरणापासून रोखतो, ज्यामुळे रिफ्रॅक्टरी मटेरियल्सच्या (refractory materials) अनुप्रयोगात त्याला अद्वितीय फायदे मिळतात.
२. उष्णतारोधक पदार्थांमध्ये उपयोग
बोरॉन कार्बाइडमध्ये ऑक्सिडेशन-विरोधी आणि उच्च तापमान प्रतिरोधकतेचे गुणधर्म आहेत. याचा उपयोग सामान्यतः प्रगत आकारयुक्त आणि आकारहीन उष्णतारोधक सामग्री म्हणून केला जातो आणि धातूशास्त्राच्या विविध क्षेत्रांमध्ये, जसे की स्टील स्टोव्ह आणि भट्टीचे फर्निचर, याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर होतो.
लोह आणि पोलाद उद्योगात तसेच कमी-कार्बन पोलाद आणि अति-कमी कार्बन पोलादाच्या प्रगलनात ऊर्जा बचत आणि वापर कमी करण्याच्या गरजेमुळे, उत्कृष्ट कार्यक्षमता असलेल्या कमी-कार्बन मॅग्नेशिया-कार्बन विटांच्या (साधारणपणे <८% कार्बन प्रमाण) संशोधन आणि विकासाकडे देश-विदेशातील उद्योगांचे अधिकाधिक लक्ष वेधले जात आहे. सध्या, कमी-कार्बन मॅग्नेशिया-कार्बन विटांची कार्यक्षमता सामान्यतः बंधित कार्बन संरचना सुधारून, मॅग्नेशिया-कार्बन विटांच्या मॅट्रिक्स संरचनेला अनुकूल करून आणि उच्च-कार्यक्षम अँटिऑक्सिडंट्स टाकून सुधारली जाते. त्यापैकी, औद्योगिक-दर्जाचे बोरॉन कार्बाइड आणि अंशतः ग्राफाइटाइज्ड कार्बन ब्लॅकपासून बनलेला ग्राफाइटाइज्ड कार्बन वापरला जातो. कमी-कार्बन मॅग्नेशिया-कार्बन विटांसाठी कार्बन स्रोत आणि अँटिऑक्सिडंट म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या ब्लॅक कंपोझिट पावडरने चांगले परिणाम साधले आहेत.
बोरॉन कार्बाइड उच्च तापमानात काही प्रमाणात मऊ होत असल्यामुळे, ते इतर पदार्थांच्या कणांच्या पृष्ठभागाला चिकटू शकते. जरी उत्पादनाची घनता वाढली तरी, पृष्ठभागावरील B2O3 ऑक्साईडचा थर एक प्रकारचे संरक्षण तयार करतो आणि ऑक्सिडेशन-विरोधी भूमिका बजावतो. त्याच वेळी, अभिक्रियेमुळे तयार झालेले स्तंभाकार स्फटिक उष्णतारोधक पदार्थाच्या मॅट्रिक्स आणि पोकळ्यांमध्ये वितरित झाल्यामुळे, सच्छिद्रता कमी होते, मध्यम तापमानातील मजबुती सुधारते आणि तयार झालेल्या स्फटिकांचे आकारमान वाढते, ज्यामुळे आकारमानातील आकुंचन भरून काढता येते आणि भेगा कमी होतात.
३. राष्ट्रीय संरक्षण मजबूत करण्यासाठी वापरण्यात येणारे बुलेटप्रूफ साहित्य
त्याच्या उच्च कठीणपणा, उच्च सामर्थ्य, कमी विशिष्ट गुरुत्व आणि उच्च पातळीच्या बॅलिस्टिक प्रतिकारशक्तीमुळे, बोरॉन कार्बाइड विशेषतः हलक्या वजनाच्या बुलेटप्रूफ सामग्रीच्या ट्रेंडशी सुसंगत आहे. विमाने, वाहने, चिलखत आणि मानवी शरीराच्या संरक्षणासाठी ही सर्वोत्तम बुलेटप्रूफ सामग्री आहे; सध्या,काही देशसंरक्षण उद्योगात बोरॉन कार्बाइड क्षेपणास्त्र-विरोधी चिलखताच्या मोठ्या प्रमाणावरील वापरास प्रोत्साहन देण्याच्या उद्देशाने, कमी किमतीच्या बोरॉन कार्बाइड क्षेपणास्त्र-विरोधी चिलखताच्या संशोधनाचा प्रस्ताव मांडण्यात आला आहे.
४. अणुऊर्जा उद्योगातील अनुप्रयोग
बोरॉन कार्बाइडमध्ये उच्च न्यूट्रॉन शोषण क्रॉस-सेक्शन आणि विस्तृत न्यूट्रॉन ऊर्जा स्पेक्ट्रम असतो, आणि अणुऊर्जा उद्योगासाठी सर्वोत्तम न्यूट्रॉन शोषक म्हणून त्याला आंतरराष्ट्रीय स्तरावर मान्यता आहे. त्यापैकी, बोरॉन-१० समस्थानिकाचा थर्मल सेक्शन ३४७×१०⁻²⁴ सेमी² इतका उच्च आहे, जो गॅडोलिनियम, सॅमॅरियम आणि कॅडमियम यांसारख्या काही मूलद्रव्यांनंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे, आणि तो एक कार्यक्षम थर्मल न्यूट्रॉन शोषक आहे. याव्यतिरिक्त, बोरॉन कार्बाइड मुबलक प्रमाणात उपलब्ध आहे, गंज-प्रतिरोधक आहे, चांगली औष्णिक स्थिरता आहे, किरणोत्सर्गी समस्थानिके तयार करत नाही आणि त्याची दुय्यम किरण ऊर्जा कमी आहे, त्यामुळे अणुभट्ट्यांमध्ये नियंत्रण सामग्री आणि संरक्षक सामग्री म्हणून बोरॉन कार्बाइडचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.
उदाहरणार्थ, अणुऊर्जा उद्योगात, उच्च-तापमान वायू-शीतित अणुभट्टीमध्ये दुसरी शटडाउन प्रणाली म्हणून बोरॉन शोषक बॉल शटडाउन प्रणालीचा वापर केला जातो. अपघात झाल्यास, जेव्हा पहिली शटडाउन प्रणाली अयशस्वी होते, तेव्हा दुसरी शटडाउन प्रणाली अणुभट्टी बंद करण्यासाठी आणि कोल्ड शटडाउन साध्य करण्यासाठी मोठ्या संख्येने बोरॉन कार्बाइडच्या गोळ्या अणुभट्टीच्या गाभ्याच्या परावर्तक थराच्या चॅनेलमध्ये मुक्तपणे खाली पाडते, ज्यामध्ये शोषक बॉल हा बोरॉन कार्बाइड असलेला ग्रॅफाइट बॉल असतो. उच्च-तापमान वायू-शीतित अणुभट्टीमधील बोरॉन कार्बाइड गाभ्याचे मुख्य कार्य अणुभट्टीची शक्ती आणि सुरक्षितता नियंत्रित करणे हे आहे. कार्बन विटांवर बोरॉन कार्बाइड न्यूट्रॉन शोषक पदार्थाचा लेप दिलेला असतो, ज्यामुळे अणुभट्टीच्या दाबपात्राचे न्यूट्रॉन किरणोत्सर्जन कमी होऊ शकते.
सध्या, अणुभट्ट्यांसाठी वापरल्या जाणाऱ्या बोराइड सामग्रीमध्ये प्रामुख्याने खालील सामग्रींचा समावेश होतो: बोरॉन कार्बाइड (कंट्रोल रॉड्स, शिल्डिंग रॉड्स), बोरिक ऍसिड (मॉडरेटर, कूलंट), बोरॉन स्टील (कंट्रोल रॉड्स आणि अणुइंधन व अणु कचऱ्यासाठी साठवणूक साहित्य), बोरॉन युरोपियम (कोअर बर्नेबल पॉइझन मटेरियल), इत्यादी.