O carboneto de boro é um cristal preto com brilho metálico, também conhecido como diamante negro, pertencente à classe dos materiais inorgânicos não metálicos. Atualmente, o carboneto de boro é amplamente conhecido, possivelmente devido à sua aplicação em coletes à prova de balas. Ele possui a menor densidade entre os materiais cerâmicos, além de apresentar alto módulo de elasticidade e alta dureza, permitindo o aproveitamento eficaz da energia de projéteis por meio de microfraturas, mantendo a carga o mais baixa possível. Entretanto, o carboneto de boro possui muitas outras propriedades únicas, que lhe conferem aplicações importantes em abrasivos, materiais refratários, na indústria nuclear, aeroespacial e em outros campos.
Propriedades decarboneto de boro
Em termos de propriedades físicas, a dureza do carboneto de boro só perde para a do diamante e do nitreto cúbico de boro, mantendo alta resistência mesmo em altas temperaturas, o que o torna um material ideal para aplicações de alta temperatura e resistência ao desgaste. A densidade do carboneto de boro é muito baixa (densidade teórica de apenas 2,52 g/cm³), sendo mais leve que materiais cerâmicos comuns, o que permite sua utilização na indústria aeroespacial. O carboneto de boro possui forte capacidade de absorção de nêutrons, boa estabilidade térmica e ponto de fusão de 2450 °C, sendo amplamente utilizado na indústria nuclear. A capacidade de absorção de nêutrons pode ser ainda mais aprimorada com a adição de boro. Materiais de carboneto de boro com morfologia e estrutura específicas também apresentam propriedades fotoelétricas especiais. Além disso, o carboneto de boro possui alto ponto de fusão, alto módulo de elasticidade, baixo coeficiente de expansão e boas propriedades de coercividade. Essas vantagens o tornam um material com potencial para diversas aplicações em áreas como metalurgia, indústria química, mecânica, aeroespacial e militar. Por exemplo, peças resistentes à corrosão e ao desgaste, fabricação de blindagem à prova de balas, barras de controle de reatores e elementos termoelétricos, etc.
Em termos de propriedades químicas, o carbeto de boro não reage com ácidos, álcalis e a maioria dos compostos inorgânicos à temperatura ambiente, e praticamente não reage com oxigênio e gases halogênios à temperatura ambiente, apresentando propriedades químicas estáveis. Além disso, o pó de carbeto de boro, quando ativado por halogênios, atua como agente de boronização do aço, infiltrando-se na superfície do aço para formar uma película de borido de ferro, o que aumenta a resistência mecânica e ao desgaste do material, conferindo-lhe excelentes propriedades químicas.
Todos sabemos que a natureza do material determina sua utilização, então em quais aplicações o pó de carbeto de boro apresenta desempenho excepcional?Os engenheiros do centro de P&D deTecnologia UrbanMines.A empresa Co., Ltd. elaborou o seguinte resumo.
Aplicação decarboneto de boro
1. O carboneto de boro é usado como abrasivo de polimento.
A aplicação do carbeto de boro como abrasivo é utilizada principalmente para retificação e polimento de safira. Entre os materiais superduros, a dureza do carbeto de boro é superior à do óxido de alumínio e do carbeto de silício, ficando atrás apenas do diamante e do nitreto de boro cúbico. A safira é o substrato ideal para diodos emissores de luz (LEDs) semicondutores de GaN/Al₂O₃, circuitos integrados de grande escala SOI e SOS, e filmes nanoestruturados supercondutores. A lisura da superfície deve ser extremamente alta, sem qualquer grau de dano. Devido à alta resistência e dureza do cristal de safira (dureza 9 na escala de Mohs), o processamento desse material apresenta grandes dificuldades.
Do ponto de vista dos materiais e da retificação, os melhores materiais para processar e retificar cristais de safira são diamante sintético, carbeto de boro, carbeto de silício e dióxido de silício. A dureza do diamante artificial é muito alta (dureza Mohs 10) e, ao retificar a pastilha de safira, risca a superfície, afetando a transmitância da luz, além de ter um preço elevado. Após o corte do carbeto de silício, a rugosidade Ra geralmente é alta e a planicidade é baixa. Já a dureza do dióxido de silício é insuficiente (dureza Mohs 7), e a força de retificação é baixa, tornando o processo demorado e trabalhoso. Portanto, o carbeto de boro (dureza Mohs 9,3) tornou-se o material mais indicado para processar e retificar cristais de safira, apresentando excelente desempenho na retificação de ambos os lados de pastilhas de safira e no afinamento e polimento da parte traseira de pastilhas epitaxiais de LED baseadas em safira.
Vale ressaltar que, quando o carboneto de boro atinge temperaturas acima de 600 °C, sua superfície se oxida, formando uma película de B₂O₃, que o torna mais macio em certa medida. Por isso, não é adequado para retificação a seco em temperaturas muito altas em aplicações abrasivas, sendo indicado apenas para polimento com abrasivos líquidos. No entanto, essa propriedade impede a oxidação adicional do B₄C, conferindo-lhe vantagens únicas em aplicações como material refratário.
2. Aplicação em materiais refratários
O carboneto de boro possui características de resistência à oxidação e a altas temperaturas. É geralmente utilizado como material refratário avançado, moldado ou não, e tem ampla aplicação em diversos setores da metalurgia, como fornos siderúrgicos e componentes de fornos.
Com a crescente necessidade de economia de energia e redução do consumo na indústria siderúrgica e na produção de aço de baixo e ultrabaixo teor de carbono, a pesquisa e o desenvolvimento de tijolos de magnésia-carbono de baixo carbono (geralmente com teor de carbono <8%) e excelente desempenho têm atraído cada vez mais a atenção das indústrias nacionais e internacionais. Atualmente, o desempenho desses tijolos é geralmente aprimorado por meio do aperfeiçoamento da estrutura de carbono aglomerado, da otimização da estrutura da matriz e da adição de antioxidantes de alta eficiência. Dentre eles, destaca-se o carbono grafitizado composto por carbeto de boro de grau industrial e negro de fumo parcialmente grafitizado. O pó composto de negro de fumo, utilizado como fonte de carbono e antioxidante para tijolos de magnésia-carbono de baixo carbono, tem apresentado bons resultados.
Como o carbeto de boro amolece até certo ponto em altas temperaturas, ele pode aderir à superfície de outras partículas de materiais. Mesmo que o produto seja densificado, a película de óxido de B₂O₃ na superfície pode formar uma certa proteção e desempenhar um papel antioxidante. Ao mesmo tempo, como os cristais colunares gerados pela reação se distribuem na matriz e nos espaços do material refratário, a porosidade é reduzida, a resistência em temperaturas médias é melhorada e o volume dos cristais gerados se expande, o que pode compensar a contração volumétrica e reduzir fissuras.
3. Materiais à prova de balas usados para reforçar a defesa nacional
Devido à sua alta dureza, alta resistência, baixa densidade e alto nível de resistência balística, o carboneto de boro está especialmente alinhado com a tendência de materiais à prova de balas leves. É o melhor material à prova de balas para a proteção de aeronaves, veículos, blindagens e corpos humanos; atualmente,Alguns paísesPropuseram pesquisas sobre blindagem antibalística de carboneto de boro de baixo custo, visando promover o uso em larga escala desse material na indústria de defesa.
4. Aplicação na indústria nuclear
O carbeto de boro possui uma alta seção de choque de absorção de nêutrons e um amplo espectro de energia de nêutrons, sendo internacionalmente reconhecido como o melhor absorvedor de nêutrons para a indústria nuclear. Dentre eles, a seção de choque térmica do isótopo boro-10 atinge o valor de 347×10⁻²⁴ cm², ficando atrás apenas de alguns elementos como gadolínio, samário e cádmio, o que o torna um eficiente absorvedor de nêutrons térmicos. Além disso, o carbeto de boro é abundante em recursos, resistente à corrosão, possui boa estabilidade térmica, não produz isótopos radioativos e apresenta baixa energia de radiação secundária, sendo, portanto, amplamente utilizado como material de controle e blindagem em reatores nucleares.
Por exemplo, na indústria nuclear, o reator refrigerado a gás de alta temperatura utiliza um sistema de desligamento secundário com esferas absorventes de boro. Em caso de acidente, quando o primeiro sistema de desligamento falha, o segundo sistema utiliza um grande número de pastilhas de carbeto de boro que caem livremente no canal da camada refletora do núcleo do reator, etc., para desligar o reator e realizar o desligamento a frio. As esferas absorventes são esferas de grafite contendo carbeto de boro. A principal função do núcleo de carbeto de boro no reator refrigerado a gás de alta temperatura é controlar a potência e a segurança do reator. O bloco de carbono é impregnado com material absorvente de nêutrons de carbeto de boro, o que pode reduzir a irradiação de nêutrons no vaso de pressão do reator.
Atualmente, os materiais de boro para reatores nucleares incluem principalmente os seguintes materiais: carboneto de boro (barras de controle, barras de blindagem), ácido bórico (moderador, refrigerante), aço boro (barras de controle e materiais de armazenamento para combustível nuclear e resíduos nucleares), boro-európio (material de veneno combustível para o núcleo), etc.