Węglik boru to czarny kryształ o metalicznym połysku, znany również jako czarny diament, należący do nieorganicznych materiałów niemetalicznych. Obecnie powszechnie znany jest węglik boru, co może wynikać z zastosowania go w pancerzach kuloodpornych, ponieważ ma najniższą gęstość wśród materiałów ceramicznych, a także zalety wysokiego modułu sprężystości i wysokiej twardości. Ponadto, węglik boru może skutecznie absorbować pociski dzięki mikropęknięciom. Węglik boru charakteryzuje się również niskim obciążeniem, co przekłada się na lepsze wykorzystanie energii. W rzeczywistości węglik boru ma wiele innych unikalnych właściwości, które mogą sprawić, że będzie on odgrywał ważną rolę w materiałach ściernych, materiałach ogniotrwałych, przemyśle jądrowym, lotniczym i innych dziedzinach.
Właściwościwęglik boru
Pod względem właściwości fizycznych, węglik boru ustępuje jedynie diamentowi i regularnemu azotkowi boru, a ponadto może zachować wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach, dzięki czemu może być stosowany jako idealny materiał odporny na zużycie w wysokiej temperaturze; gęstość węglika boru jest bardzo mała (teoretyczna gęstość wynosi zaledwie 2,52 g/cm3), lżejszy od zwykłych materiałów ceramicznych i może być stosowany w przemyśle lotniczym; węglik boru ma silną zdolność absorpcji neutronów, dobrą stabilność termiczną i temperaturę topnienia 2450 ° C, dzięki czemu jest szeroko stosowany w przemyśle jądrowym. Zdolność absorpcji neutronów można dodatkowo poprawić, dodając pierwiastki B; materiały węglika boru o specyficznej morfologii i strukturze mają również specjalne właściwości fotoelektryczne; ponadto węglik boru ma wysoką temperaturę topnienia, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik rozszerzalności i dobre. Te zalety sprawiają, że jest to potencjalny materiał do zastosowań w wielu dziedzinach, takich jak metalurgia, przemysł chemiczny, maszynowy, lotniczy i wojskowy. Na przykład części odporne na korozję i zużycie, wytwarzanie pancerzy kuloodpornych, prętów sterujących reaktorami i elementów termoelektrycznych itp.
Pod względem właściwości chemicznych, węglik boru nie reaguje z kwasami, zasadami i większością związków nieorganicznych w temperaturze pokojowej, a także prawie nie reaguje z tlenem i gazami halogenowymi w temperaturze pokojowej, a jego właściwości chemiczne są stabilne. Ponadto, proszek węglika boru jest aktywowany halogenem jako środkiem borującym stal, a bor infiltruje powierzchnię stali, tworząc warstwę borku żelaza, zwiększając w ten sposób wytrzymałość i odporność materiału na zużycie, a jego właściwości chemiczne są doskonałe.
Wszyscy wiemy, że zastosowanie zależy od właściwości materiału. W jakich zastosowaniach proszek węglika boru sprawdza się najlepiej?Inżynierowie z centrum badawczo-rozwojowegoTechnologia UrbanMines.Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością sporządziła następujące podsumowanie.
Zastosowaniewęglik boru
1. Węglik boru jest stosowany jako materiał ścierny do polerowania
Węglik boru jako materiał ścierny jest stosowany głównie do szlifowania i polerowania szafiru. Spośród materiałów supertwardych, węglik boru charakteryzuje się lepszą twardością niż tlenek glinu i węglik krzemu, ustępując jedynie diamentowi i regularnemu azotkowi boru. Szafir jest idealnym materiałem podłoża dla półprzewodnikowych diod elektroluminescencyjnych (LED) GaN/Al2O3, wielkoskalowych układów scalonych SOI i SOS oraz nadprzewodzących warstw nanostrukturalnych. Gładkość powierzchni jest bardzo wysoka i musi być ultra-gładka, bez uszkodzeń. Ze względu na wysoką wytrzymałość i twardość kryształu szafiru (twardość 9 w skali Mohsa), jego wykorzystanie w zakładach przetwórczych stanowi poważne wyzwanie.
Z punktu widzenia materiałów i szlifowania, najlepszymi materiałami do obróbki i szlifowania kryształów szafiru są diament syntetyczny, węglik boru, węglik krzemu i dwutlenek krzemu. Twardość diamentu syntetycznego jest zbyt wysoka (twardość w skali Mohsa 10) podczas szlifowania wafli szafirowych, co powoduje zarysowania powierzchni, wpływa na transmisję światła wafli, a cena jest wysoka; po przecięciu węglika krzemu chropowatość RA jest zazwyczaj wysoka, a płaskość słaba; Jednak twardość krzemionki jest niewystarczająca (twardość w skali Mohsa 7), a siła szlifowania jest słaba, co jest czasochłonne i pracochłonne w procesie szlifowania. Dlatego też węglik boru (twardość w skali Mohsa 9,3) stał się najbardziej idealnym materiałem do obróbki i szlifowania kryształów szafiru i doskonale sprawdza się w dwustronnym szlifowaniu wafli szafirowych oraz w tylnym pocienianiu i polerowaniu epitaksjalnych wafli LED na bazie szafiru.
Warto wspomnieć, że w temperaturze powyżej 600°C powierzchnia węglika boru utlenia się do warstwy B2O3, która w pewnym stopniu ją zmiękcza. Dlatego nie nadaje się on do szlifowania na sucho w zbyt wysokiej temperaturze w zastosowaniach ściernych, a jedynie do polerowania i szlifowania w płynach. Jednak ta właściwość zapobiega dalszemu utlenianiu B4C, co czyni go szczególnie przydatnym w zastosowaniach materiałów ogniotrwałych.
2. Zastosowanie w materiałach ogniotrwałych
Węglik boru charakteryzuje się odpornością na utlenianie i wysoką temperaturę. Jest powszechnie stosowany jako zaawansowany materiał ogniotrwały, formowany i nieformowany, oraz w różnych dziedzinach metalurgii, takich jak piece stalowe i wyposażenie pieców.
W związku z potrzebą oszczędzania energii i redukcji zużycia w przemyśle hutniczym oraz wytopem stali niskowęglowej i ultraniskowęglowej, badania i rozwój niskoemisyjnych cegieł magnezytowo-węglowych (zwykle o zawartości węgla <8%) o doskonałych parametrach technicznych, cieszą się coraz większym zainteresowaniem przemysłu krajowego i zagranicznego. Obecnie parametry techniczne niskoemisyjnych cegieł magnezytowo-węglowych są zazwyczaj poprawiane poprzez udoskonalenie struktury wiązanego węgla, optymalizację struktury matrycy cegieł magnezytowo-węglowych oraz dodanie wysokowydajnych przeciwutleniaczy. Wśród nich stosuje się grafityzowany węgiel składający się z węglika boru klasy przemysłowej i częściowo grafityzowanej sadzy. Czarny proszek kompozytowy, stosowany jako źródło węgla i przeciwutleniacz w niskoemisyjnych cegłach magnezytowo-węglowych, osiągnął dobre rezultaty.
Ponieważ węglik boru ulega pewnemu zmiękczeniu w wysokiej temperaturze, może przylegać do powierzchni cząstek innych materiałów. Nawet jeśli produkt jest zagęszczony, warstwa tlenku B2O3 na powierzchni może stanowić pewną ochronę i odgrywać rolę antyoksydacyjną. Jednocześnie, ponieważ kryształy kolumnowe powstające w wyniku reakcji są rozprowadzane w matrycy i szczelinach materiału ogniotrwałego, zmniejsza się porowatość, poprawia się wytrzymałość w średnich temperaturach, a objętość wytworzonych kryształów zwiększa się, co może prowadzić do naprawy skurczu objętościowego i zmniejszenia pęknięć.
3. Materiały kuloodporne stosowane w celu wzmocnienia obronności kraju
Ze względu na wysoką twardość, wysoką wytrzymałość, niski ciężar właściwy i wysoką odporność balistyczną, węglik boru jest szczególnie zgodny z trendem lekkich materiałów kuloodpornych. Jest to najlepszy materiał kuloodporny do ochrony samolotów, pojazdów, pancerzy i ciał ludzkich; obecnieNiektóre krajezaproponowano badania nad tanim pancerzem antybalistycznym z węglika boru, mające na celu promowanie szerokiego zastosowania pancerzy antybalistycznych z węglika boru w przemyśle zbrojeniowym.
4. Zastosowanie w przemyśle jądrowym
Węglik boru charakteryzuje się wysokim przekrojem czynnym absorpcji neutronów i szerokim widmem energii neutronów, co czyni go na całym świecie najlepszym absorberem neutronów dla przemysłu jądrowego. Wśród nich, przekrój termiczny izotopu boru-10 wynosi aż 347×10-24 cm², ustępując jedynie kilku pierwiastkom, takim jak gadolin, samar i kadm, i jest skutecznym absorberem neutronów termicznych. Ponadto, węglik boru jest bogaty w zasoby, odporny na korozję, ma dobrą stabilność termiczną, nie wytwarza izotopów radioaktywnych i charakteryzuje się niską energią promieniowania wtórnego, dlatego jest szeroko stosowany jako materiał kontrolny i osłonowy w reaktorach jądrowych.
Na przykład w przemyśle jądrowym, reaktor wysokotemperaturowy chłodzony gazem wykorzystuje system wyłączania z pochłaniającą bor kulką jako drugi system wyłączania. W razie wypadku, gdy pierwszy system wyłączania zawiedzie, drugi system wyłączania wykorzystuje dużą liczbę granulek węglika boru, które swobodnie spadają do kanału warstwy odblaskowej rdzenia reaktora itd., aby wyłączyć reaktor i przeprowadzić zimne wyłączenie, przy czym pochłaniająca kulka jest kulką grafitową zawierającą węglik boru. Główną funkcją rdzenia z węglika boru w reaktorze wysokotemperaturowym chłodzonym gazem jest kontrolowanie mocy i bezpieczeństwa reaktora. Cegła węglowa jest impregnowana materiałem pochłaniającym neutrony z węglika boru, co może zmniejszyć promieniowanie neutronowe zbiornika ciśnieniowego reaktora.
Obecnie materiały borkowe dla reaktorów jądrowych obejmują głównie następujące materiały: węglik boru (pręty regulacyjne, pręty osłonowe), kwas borowy (moderator, chłodziwo), stal borowa (pręty regulacyjne i materiały do składowania paliwa jądrowego i odpadów promieniotwórczych), bor i europ (palny materiał na rdzeń) itp.