Карбід бору — це чорний кристал з металевим блиском, також відомий як чорний алмаз, який належить до неорганічних неметалевих матеріалів. Наразі всі знайомі з матеріалом карбід бору, що може бути пов'язано з його застосуванням у куленепробивній броні, оскільки він має найнижчу щільність серед керамічних матеріалів, має переваги високого модуля пружності та високої твердості, а також може досягти ефективного використання мікротріщин для поглинання снарядів. Ефект енергії, зберігаючи при цьому навантаження якомога нижчим. Але насправді карбід бору має багато інших унікальних властивостей, що може зробити його важливим матеріалом в абразивах, вогнетривких матеріалах, ядерній промисловості, аерокосмічній та інших галузях.
Властивостікарбід бору
Щодо фізичних властивостей, твердість карбіду бору поступається лише алмазу та кубічному нітриду бору, і він все ще може зберігати високу міцність за високих температур, що дозволяє йому бути ідеальним зносостійким матеріалом за високих температур; щільність карбіду бору дуже мала (теоретична щільність становить лише 2,52 г/см3), він легший за звичайні керамічні матеріали та може використовуватися в аерокосмічній галузі; карбід бору має сильну здатність поглинати нейтрони, добру термостабільність та температуру плавлення 2450°C, тому він також широко використовується в ядерній промисловості. Здатність поглинати нейтрони можна додатково покращити, додавши елементи групи B; матеріали на основі карбіду бору зі специфічною морфологією та структурою також мають особливі фотоелектричні властивості; крім того, карбід бору має високу температуру плавлення, високий модуль пружності, низький коефіцієнт розширення та хороші якості. Ці переваги роблять його потенційним матеріалом для застосування в багатьох галузях, таких як металургія, хімічна промисловість, машинобудування, аерокосмічна та військова промисловість. Наприклад, для виготовлення корозійностійких та зносостійких деталей, виготовлення куленепробивної броні, стрижнів керування реакторами та термоелектричних елементів тощо.
Щодо хімічних властивостей, карбід бору не реагує з кислотами, лугами та більшістю неорганічних сполук за кімнатної температури, майже не реагує з киснем та галогенними газами за кімнатної температури, а його хімічні властивості стабільні. Крім того, порошок карбіду бору активується галогеном як боруючим агентом для сталі, і бор проникає на поверхню сталі, утворюючи плівку бориду заліза, тим самим підвищуючи міцність та зносостійкість матеріалу, а його хімічні властивості чудові.
Ми всі знаємо, що природа матеріалу визначає його використання, тож у яких випадках порошок карбіду бору має видатні характеристики?Інженери науково-дослідного центруUrbanMines Tech.Компанія «Co., Ltd.» зробила наступний виклад.
Застосуваннякарбід бору
1. Карбід бору використовується як полірувальний абразив
Карбід бору як абразив використовується переважно для шліфування та полірування сапфіру. Серед надтвердих матеріалів твердість карбіду бору вища, ніж у оксиду алюмінію та карбіду кремнію, поступаючись лише алмазу та кубічному нітриду бору. Сапфір є найкращим матеріалом для виготовлення напівпровідникових світлодіодів (LED) GaN/Al2O3, великомасштабних інтегральних схем SOI та SOS, а також надпровідних наноструктурних плівок. Гладкість поверхні дуже висока, вона має бути надгладкою та не має пошкоджень. Завдяки високій міцності та високій твердості сапфірового кристала (твердість за Моосом 9) це створює великі труднощі для переробних підприємств.
З точки зору матеріалів та шліфування, найкращими матеріалами для обробки та шліфування сапфірових кристалів є синтетичний алмаз, карбід бору, карбід кремнію та діоксид кремнію. Твердість штучного алмазу занадто висока (твердість за Моосом 10) під час шліфування сапфірової пластини дряпає поверхню, впливає на світлопроникність пластини та має високу ціну; після різання карбіду кремнію шорсткість RA зазвичай висока, а площинність погана; Однак твердість кремнезему недостатня (твердість за Моосом 7), а сила шліфування низька, що займає багато часу та праці в процесі шліфування. Тому абразив на основі карбіду бору (твердість за Моосом 9,3) став найідеальнішим матеріалом для обробки та шліфування сапфірових кристалів і має чудові характеристики при двосторонньому шліфуванні сапфірових пластин, а також при зворотному витонченні та поліруванні епітаксіальних світлодіодних пластин на основі сапфіру.
Варто зазначити, що коли карбід бору нагрівається вище 600°C, його поверхня окислюється до плівки B2O3, що певною мірою пом'якшує його, тому він не підходить для сухого шліфування за занадто високої температури в абразивних застосуваннях, а підходить лише для полірування рідким шліфуванням. Однак ця властивість запобігає подальшому окисленню B4C, що надає йому унікальних переваг у застосуванні вогнетривких матеріалів.
2. Застосування у вогнетривких матеріалах
Карбід бору має характеристики антиокислювальності та стійкості до високих температур. Він зазвичай використовується як передовий формований та неформований вогнетривкий матеріал і широко застосовується в різних галузях металургії, таких як сталеві печі та меблі для печей.
З огляду на потреби енергозбереження та скорочення споживання в чорній металургії, а також виплавку низьковуглецевої та наднизьковуглецевої сталі, дослідження та розробка низьковуглецевої магнезіально-вуглецевої цегли (зазвичай з вмістом вуглецю <8%) з відмінними експлуатаційними характеристиками привертають дедалі більше уваги з боку вітчизняної та іноземної промисловості. Наразі експлуатаційні характеристики низьковуглецевої магнезіально-вуглецевої цегли загалом покращуються шляхом покращення структури зв'язаного вуглецю, оптимізації матричної структури магнезіально-вуглецевої цегли та додавання високоефективних антиоксидантів. Серед них використовується графітизований вуглець, що складається з карбіду бору промислового класу та частково графітизованої сажі. Чорний композитний порошок, який використовується як джерело вуглецю та антиоксидант для низьковуглецевої магнезіально-вуглецевої цегли, досяг хороших результатів.
Оскільки карбід бору певною мірою розм'якшується за високих температур, він може прикріплюватися до поверхні частинок інших матеріалів. Навіть якщо продукт ущільнюється, плівка оксиду B2O3 на поверхні може утворювати певний захист і відігравати антиокислювальну роль. Водночас, оскільки стовпчасті кристали, що утворюються в результаті реакції, розподіляються в матриці та порожнинах вогнетривкого матеріалу, пористість зменшується, міцність за середньої температури покращується, а об'єм утворених кристалів розширюється, що може призвести до усунення об'ємної усадки та зменшення тріщин.
3. Куленепробивні матеріали, що використовуються для посилення національної оборони
Завдяки високій твердості, високій міцності, малій питомій вазі та високому рівню балістичної стійкості, карбід бору особливо відповідає тенденції легких куленепробивних матеріалів. Це найкращий куленепробивний матеріал для захисту літаків, транспортних засобів, броні та людських тіл; наразі,Деякі країнизапропонували недороге дослідження протибалістичної броні з карбіду бору, спрямоване на сприяння широкомасштабному використанню протибалістичної броні з карбіду бору в оборонній промисловості.
4. Застосування в ядерній промисловості
Карбід бору має високий поперечний переріз поглинання нейтронів та широкий спектр енергії нейтронів, і є міжнародно визнаним найкращим поглиначем нейтронів для ядерної промисловості. Серед них тепловий переріз ізотопу бору-10 досягає 347×10⁻² см², поступаючись лише кільком елементам, таким як гадоліній, самарій та кадмій, і є ефективним поглиначем теплових нейтронів. Крім того, карбід бору багатий на ресурси, стійкий до корозії, має добру термічну стабільність, не утворює радіоактивних ізотопів та має низьку енергію вторинного випромінювання, тому карбід бору широко використовується як контрольний матеріал та захисний матеріал у ядерних реакторах.
Наприклад, у ядерній промисловості, у високотемпературному газоохолоджувальному реакторі використовується система зупинки з використанням поглинаючої бором кулі як другої системи зупинки. У разі аварії, коли перша система зупинки виходить з ладу, друга система зупинки використовує велику кількість гранул карбіду бору, які вільно падають у канал відбивного шару активної зони реактора тощо, для зупинки реактора та здійснення холодної зупинки, причому поглинаюча куля являє собою графітову кулю, що містить карбід бору. Основною функцією осердя з карбіду бору у високотемпературному газоохолоджувальному реакторі є керування потужністю та безпекою реактора. Вуглецева цегла просочена нейтронопоглинаючим матеріалом з карбіду бору, що може зменшити нейтронне опромінення корпусу реактора.
Наразі боридні матеріали для ядерних реакторів включають переважно такі матеріали: карбід бору (регулюючі стрижні, захисні стрижні), борну кислоту (сповільнювач, теплоносій), борну сталь (регулюючі стрижні та матеріали для зберігання ядерного палива та ядерних відходів), бор європій (отруйний матеріал, що горить у активній зоні) тощо.