Boorikarbidi

Boorikarbidi (B4C) on epäorgaaninen boorin karbidi. Yhdiste on hyvin kovaa ja lämmönkestävää, minkä vuoksi sillä on käyttökohteita muun muassa työkalujen terissä.

Rakenne

Boorikarbidi kuuluu niin kutsuttuihin välisijayhdisteisiin ja on niille tyypillisesti usein epästoikiometrinen. Kaupallisessa boorikarbidissa boorin ja hiilen suhde on melko tarkasti 4:1, mikä antaa empiirisen kaavan B4C, mutta usein yhdiste on hiilivajaa ja yhdisteitä joiden koostumus vaihtelee välillä B4,3C–B10,4C tunnetaan.

Boorikarbidin alkeiskoppi on romboedrinen. Rakenne muodostuu booriatomien muodostamista ikosaedreistä, joissa 12 booriatomia ovat sijoittuneet säännöllisen ikosaedrin kärkiin. Ikosaedrien ulkopuolella hiiliatomit muodostavat kolmen atomin ketjuja, jotka littävät boorista koostuvat ikosaedrit toisiinsa.

Ominaisuudet
Boorikarbidissa atomit muodostavat jäykän rakenteen, minkä vuoksi se sulaa vasta hyvin korkeassa lämpötilassa ja on kovaa. Yhdiste on huono lämmönjohde ja sen lämpölaajenemiskerroin on pieni. Boorikarbidin korkean Youngin moduulin, noin 450 GPa, vuoksi se on kuitenkin melko altis materiaali lämpöshokille. Korkeissa lämpötiloissa boorikarbidi on p-tyypin puolijohde ja sen kielletty vyö on 0,8 eV.

Boorikarbidi on kemiallisesti hyvin inertti eikä se liukene veteen tai happo- tai emäsliuoksiin. Voimakkaiden emästen kanssa kuumennettaessa ja sulien emästen vaikutuksesta se kuitenkin hajoaa muodostaen boraatteja. Metallioksidien kanssa kuumennettaessa se muodostaa borideja. Ilman hapen vaikutuksesta yhdiste hapettuu yli 500 °C:n lämpötilassa ja kloori reagoi sen kanssa noin 600 °C:n lämpötilassa ja bromi noin 800 °C:n lämpötilassa.

Valmistus
Tyypillisin tapa valmistaa boorikarbidia on booritrioksidin ja hiilen välinen reaktio. Tämä reaktio on hyvin endoterminen ja sen suorittamiseen käytetään sähköisiä ahjoja, joissa lämpötila on välillä 1 400–2 500 °C.
2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

Toinen tapa muodostaa yhdistettä on boorioksidin pelkistys magnesiumilla hiilen läsnä ollessa. Tällöin tarvittavat lämpötilat ovat alhaisempia, noin 1 400–1 800 °C. Reaktio suoritetaan usein vetyilmakehässä grafiittiputkiuunissa. Sivutuotteena muodostuva magnesiumoksidi poistetaan liuottamalla se hapon avulla.
2 B2O3 + 6 Mg + C → B4C + 6 MgO

Muita tapoja yhdisteen valmistamiseen ovat valmistus suoraan hiilestä ja boorista, booritrikloridin pelkistys vedyllä hiilen läsnä ollessa ja CVD-menetelmällä booritrikloridista, metaanista ja vedystä.

Käyttö
Boorikarbidi on hyvin kovaa ja siitä valmistettuja kuituja käytetään muun muassa luodinkestävien asusteiden valmistukseen ja ajoneuvojen suojaamiseen. Muita käyttökohteita ovat muun muassa polkupyörän rungot, hioma-aineena, työkaluissa, kuten kallioporissa, korroosiota ja korkeita lämpötiloja kestäviin sovelluksiin esimerkiksi avaruusaluksissa. Boorikarbidia käytetään myös muiden kovien materiaalien, kuten titaanidiboridin valmistuksessa ja lisäämään alumiinin ja alumiiniseosten kovuutta ja kestävyyttä.

Boorin isotoopeista 10B absorboi tehokkaasti neutroneita. Tämän vuoksi kyseistä boorin isotooppia sisältävää boorikarbidia käytetään säteilysuojana. Muun muassa ydinreaktoreja voidaan ympäröidä sillä ja valmistaa siitä säätösauvoja. Tähän tarkoitukseen boorikarbidi on halvempaa kuin boori alkuaineena.

Lähteet

Aiheesta muualla
Boorikarbidin käyttöturvallisuustiedote, Sigma Aldrich, viitattu 26.12.2014.

Booriyhdisteet
Karbidit