Boron carbide là một loại tinh thể màu đen có ánh kim loại, còn được gọi là kim cương đen, thuộc nhóm vật liệu vô cơ phi kim loại. Hiện nay, mọi người đều quen thuộc với vật liệu boron carbide, có lẽ là do ứng dụng của nó trong áo giáp chống đạn, bởi vì nó có mật độ thấp nhất trong số các vật liệu gốm, có ưu điểm là mô đun đàn hồi cao và độ cứng cao, và có thể tận dụng tốt các vết nứt vi mô để hấp thụ năng lượng của đạn, đồng thời giữ cho tải trọng ở mức thấp nhất có thể. Nhưng trên thực tế, boron carbide còn có nhiều đặc tính độc đáo khác, có thể khiến nó đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như vật liệu mài mòn, vật liệu chịu lửa, công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác.
Tính chất củacacbua bo
Về tính chất vật lý, độ cứng của cacbua bo chỉ đứng sau kim cương và nitrua bo lập phương, và nó vẫn duy trì được độ bền cao ở nhiệt độ cao, có thể được sử dụng làm vật liệu chống mài mòn nhiệt độ cao lý tưởng; mật độ của cacbua bo rất nhỏ (mật độ lý thuyết chỉ 2,52 g/cm³), nhẹ hơn các vật liệu gốm thông thường, và có thể được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ; cacbua bo có khả năng hấp thụ neutron mạnh, độ ổn định nhiệt tốt và điểm nóng chảy là 2450°C, vì vậy nó cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hạt nhân. Khả năng hấp thụ neutron của nó có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thêm nguyên tố B; vật liệu cacbua bo với hình thái và cấu trúc đặc biệt cũng có các đặc tính quang điện đặc biệt; ngoài ra, cacbua bo có điểm nóng chảy cao, mô đun đàn hồi cao, hệ số giãn nở thấp và độ bền kéo tốt. Những ưu điểm này làm cho nó trở thành vật liệu tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, công nghiệp hóa chất, cơ khí, hàng không vũ trụ và công nghiệp quân sự. Ví dụ, các bộ phận chống ăn mòn và chống mài mòn, chế tạo áo giáp chống đạn, thanh điều khiển lò phản ứng và các phần tử nhiệt điện, v.v.
Về tính chất hóa học, cacbua bo không phản ứng với axit, kiềm và hầu hết các hợp chất vô cơ ở nhiệt độ phòng, và hầu như không phản ứng với oxy và khí halogen ở nhiệt độ phòng, do đó tính chất hóa học của nó ổn định. Ngoài ra, bột cacbua bo được hoạt hóa bằng halogen như một chất bor hóa thép, và bo được thẩm thấu vào bề mặt thép để tạo thành màng borua sắt, nhờ đó tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn của vật liệu, và tính chất hóa học của nó rất tốt.
Chúng ta đều biết rằng bản chất của vật liệu quyết định công dụng của nó, vậy bột cacbua bo có hiệu suất vượt trội trong những ứng dụng nào?Các kỹ sư của trung tâm nghiên cứu và phát triển củaCông nghệ UrbanMines.Công ty TNHH đã đưa ra bản tóm tắt sau đây.
Ứng dụng củacacbua bo
1. Cacbua bo được sử dụng làm chất mài mòn để đánh bóng.
Việc ứng dụng cacbua bo làm chất mài mòn chủ yếu được sử dụng để mài và đánh bóng sapphire. Trong số các vật liệu siêu cứng, độ cứng của cacbua bo tốt hơn oxit nhôm và cacbua silic, chỉ đứng sau kim cương và nitrua bo lập phương. Sapphire là vật liệu nền lý tưởng nhất cho điốt phát quang (LED) bán dẫn GaN/Al₂O₃, mạch tích hợp quy mô lớn SOI và SOS, và màng cấu trúc nano siêu dẫn. Bề mặt cần có độ nhẵn rất cao và phải cực kỳ nhẵn, không được có bất kỳ hư hại nào. Do độ bền và độ cứng cao của tinh thể sapphire (độ cứng Mohs 9), nó đã gây ra nhiều khó khăn cho các doanh nghiệp gia công.
Từ góc độ vật liệu và mài, các vật liệu tốt nhất để gia công và mài tinh thể sapphire là kim cương nhân tạo, cacbua bo, cacbua silic và dioxit silic. Độ cứng của kim cương nhân tạo quá cao (độ cứng Mohs 10) khi mài tấm sapphire, nó sẽ làm xước bề mặt, ảnh hưởng đến độ truyền ánh sáng của tấm, và giá thành cao; sau khi cắt cacbua silic, độ nhám RA thường cao và độ phẳng kém; tuy nhiên, độ cứng của silic không đủ (độ cứng Mohs 7), và lực mài kém, tốn nhiều thời gian và công sức trong quá trình mài. Do đó, chất mài mòn cacbua bo (độ cứng Mohs 9.3) đã trở thành vật liệu lý tưởng nhất để gia công và mài tinh thể sapphire, và có hiệu suất tuyệt vời trong việc mài hai mặt tấm sapphire và làm mỏng mặt sau cũng như đánh bóng các tấm wafer LED epitaxy dựa trên sapphire.
Điều đáng chú ý là khi boron carbide ở nhiệt độ trên 600°C, bề mặt sẽ bị oxy hóa thành lớp màng B2O3, làm mềm vật liệu đến một mức độ nhất định, do đó không thích hợp cho việc mài khô ở nhiệt độ quá cao trong các ứng dụng mài mòn, chỉ thích hợp cho việc đánh bóng bằng chất lỏng. Tuy nhiên, đặc tính này ngăn cản B4C bị oxy hóa thêm, mang lại cho nó những ưu điểm độc đáo trong ứng dụng vật liệu chịu lửa.
2. Ứng dụng trong vật liệu chịu nhiệt
Cacbua bo có đặc tính chống oxy hóa và chịu nhiệt độ cao. Nó thường được sử dụng làm vật liệu chịu lửa định hình và không định hình tiên tiến và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực luyện kim, chẳng hạn như lò thép và đồ dùng lò nung.
Trước nhu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ trong ngành công nghiệp sắt thép và luyện thép cacbon thấp, thép cacbon cực thấp, việc nghiên cứu và phát triển gạch magnesia-cacbon cacbon thấp (thường có hàm lượng cacbon <8%) với hiệu suất vượt trội ngày càng thu hút sự quan tâm của các ngành công nghiệp trong và ngoài nước. Hiện nay, hiệu suất của gạch magnesia-cacbon cacbon thấp thường được cải thiện bằng cách cải thiện cấu trúc cacbon liên kết, tối ưu hóa cấu trúc ma trận của gạch magnesia-cacbon và bổ sung chất chống oxy hóa hiệu quả cao. Trong đó, cacbon graphit hóa được cấu tạo từ cacbua bo cấp công nghiệp và một phần cacbon đen graphit hóa được sử dụng. Bột hỗn hợp đen, được sử dụng làm nguồn cacbon và chất chống oxy hóa cho gạch magnesia-cacbon cacbon thấp, đã đạt được kết quả tốt.
Do cacbua bo sẽ mềm đi ở một mức độ nhất định ở nhiệt độ cao, nó có thể bám vào bề mặt của các hạt vật liệu khác. Ngay cả khi sản phẩm được nung kết, lớp màng oxit B2O3 trên bề mặt vẫn có thể tạo ra một lớp bảo vệ nhất định và đóng vai trò chống oxy hóa. Đồng thời, do các tinh thể hình cột được tạo ra từ phản ứng được phân bố trong ma trận và các khe hở của vật liệu chịu lửa, độ xốp giảm, độ bền ở nhiệt độ trung bình được cải thiện, và thể tích của các tinh thể được tạo ra giãn nở, có thể bù đắp sự co ngót thể tích và giảm nứt.
3. Vật liệu chống đạn được sử dụng để tăng cường quốc phòng
Nhờ độ cứng cao, độ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ và khả năng chống đạn cao, cacbua bo đặc biệt phù hợp với xu hướng vật liệu chống đạn nhẹ. Đây là vật liệu chống đạn tốt nhất để bảo vệ máy bay, xe cộ, áo giáp và cơ thể người; hiện nay,Một số quốc giađã đề xuất nghiên cứu về giáp chống đạn bằng cacbua bo chi phí thấp, nhằm mục đích thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi giáp chống đạn bằng cacbua bo trong ngành công nghiệp quốc phòng.
4. Ứng dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân
Boron carbide có tiết diện hấp thụ neutron cao và phổ năng lượng neutron rộng, được quốc tế công nhận là chất hấp thụ neutron tốt nhất cho ngành công nghiệp hạt nhân. Trong đó, tiết diện nhiệt của đồng vị boron-10 cao tới 347×10-24 cm2, chỉ đứng sau một vài nguyên tố như gadolinium, samarium và cadmium, và là chất hấp thụ neutron nhiệt hiệu quả. Ngoài ra, boron carbide giàu tài nguyên, chống ăn mòn, ổn định nhiệt tốt, không tạo ra đồng vị phóng xạ và có năng lượng tia thứ cấp thấp, do đó boron carbide được sử dụng rộng rãi làm vật liệu điều khiển và vật liệu chắn trong các lò phản ứng hạt nhân.
Ví dụ, trong ngành công nghiệp hạt nhân, lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao sử dụng hệ thống tắt máy bằng bi hấp thụ boron làm hệ thống tắt máy thứ cấp. Trong trường hợp xảy ra sự cố, khi hệ thống tắt máy thứ nhất bị lỗi, hệ thống tắt máy thứ cấp sẽ sử dụng một lượng lớn viên bi cacbua boron rơi tự do vào kênh của lớp phản xạ trong lõi lò phản ứng, v.v., để tắt lò phản ứng và thực hiện tắt máy lạnh, trong đó bi hấp thụ là bi than chì chứa cacbua boron. Chức năng chính của lõi cacbua boron trong lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao là kiểm soát công suất và an toàn của lò phản ứng. Gạch carbon được tẩm vật liệu hấp thụ neutron cacbua boron, có thể làm giảm bức xạ neutron vào bình áp suất của lò phản ứng.
Hiện nay, các vật liệu boride dùng trong lò phản ứng hạt nhân chủ yếu bao gồm: cacbua bo (thanh điều khiển, thanh chắn), axit boric (chất điều tiết, chất làm mát), thép bo (thanh điều khiển và vật liệu lưu trữ nhiên liệu hạt nhân và chất thải hạt nhân), europi bo (vật liệu độc cháy được trong lõi), v.v.