Бор карбид

Бор карбид (хемиска формула приближно B4C) е екстремно тврда борно - јаглеродна керамика, ковалентен материјал кој се користи во оклопот на тенковите, панцирните елеци, пудрата за саботажа на моторот, како и бројни индустриски примени. Со Викерсова тврдост од >30 GPa, тој е еден од најтврдите познати материјали, зад кубен бор нитрид и дијамант.

 Историја 

Бор карбид е откриен во  век како нуспроизвод на реакции кои вклучуваат метални бориди, но неговата хемиска формула била непозната. Дури во 1930-тите хемискиот состав бил проценет како B4C.Ridgway, Ramond R "Boron Carbide" , European Patent CA339873 (A), publication date: 1934-03-06 Останаа контроверзи за тоа дали материјалот имал точно 4:1 стехиометрија или не, бидејќи во пракса материјалот секогаш има малку јаглерод недостаток во однос на оваа формула, а рендгенската кристалографија покажува дека неговата структура е многу сложена, со мешавина од CBC синџири и B 12 икозаедрон.

Овие одлики се спротивставени на многу едноставната емпириска формула B4C. Поради структурната единица B12, хемиската формула на „идеалниот“ бор карбид често се пишува не како B4C, туку како B12C3, а јаглеродниот дефицит на бор карбид е опишан во смисла на комбинација на B12C3 и B12 CBC единици.

 Кристална структура 

лево|мини|230x230пкс| Единечна ќелија на B 4 C. Зелената сфера и икозаедрите се состојат од атоми на бор, а црните сфери се јаглеродни атоми.
лево|мини|381x381пкс| Фрагмент од кристалната структура B 4 C.

Бор карбид има сложена кристална структура типична за боридовите базирани на икозаедрон. Таму, икозаедрите B12 формираат ромбоедрална решетка (просторна група: R  m (бр. 166), константи на решетка: a = 0,56 nm и c = 1,212 nm) опкружува CBC синџир што се наоѓа во центарот на единечната клетка, и двата јаглеродни атоми ги премостуваат соседните три икозаедри. Оваа структура е слоевита: икозаедрите B12 и јаглеродите кои се премостуваат формираат мрежна рамнина која се шири паралелно со c -рамнината и се натрупува по должината на c -оската. Решетката има две основни структурни единици - икозаедронот B12 и октаедарот B6. Поради малата големина на октаедрите B6, тие не можат меѓусебно да се поврзат. Наместо тоа, тие се врзуваат за B12икозаедрите во соседниот слој, и тоа ја намалува јачината на сврзување во рамнината c.

Поради структурната единица B12, хемиската формула на „идеалниот“ бор карбид често се пишува не како B4C, туку како B12C3, а јаглеродниот дефицит на бор карбид е опишан во смисла на комбинација на B12C3 и B12C2 единици. Некои студии укажуваат на можноста за инкорпорирање на еден или повеќе јаглеродни атоми во икосаедрите на бор, што доведува до формули како што се (B11C) CBC = B4C на јаглерод-тешкиот крај на стехиометријата, но формули како што се B12 (CBB) = B14C на крајот богат со бор. Според тоа, „борниот карбид“ не е едно соединение, туку фамилија на соединенија со различен состав. Вообичаен меѓупроизвод, кој приближува на вообичаено пронајдениот сооднос на елементи, е B12 (CBC) = B6,5C. Квантните механички пресметки покажаа дека конфигурациското нарушување помеѓу атомите на бор и јаглерод на различните позиции во кристалот одредува неколку својства на материјалот - особено, кристалната симетрија на составот B4C  и неметалниот електричен карактер на составот B13C2.

 Својства 
Бор карбидот е познат како робустен материјал кој има исклучително висока цврстина (околу 9,5 до 9,75 на скалата на тврдоста на Мохс ), висок пресек за апсорпција на неутрони (т.е. добри заштитни својства од неутрони), стабилност на јонизирачко зрачење и повеќето хемикалии.Weimer, p. 330 Неговата цврстина на Викерс (38 GPa), модул на еластичност (460 GPa)  и цврстина на фрактура (3,5 MPa·m 1/2 ) се приближуваат до соодветните вредности за дијамантот (1150 GPa и 5,3 MPa·m 1/2 ).

, Бор карбидот е третиот најтврд елемент познат после дијамантот и кубен бор нитрид,добивајќи го прекарот "црн дијамант".

 Полупроводнички својства 
Бор карбид е полупроводник, со електронски својства доминирани од транспорт од типот на скокање. Енергетскиот јаз зависи од составот, како и од степенот на редослед. Јазот на опсегот е проценет на 2,09 eV, со повеќе состојби на среден опсег што го комплицираат спектарот на фотолуминисценција. Материјалот е типично p-тип.

 Подготовка 
Бор карбид првпат бил синтетизиран од Анри Моасан во 1899 година,  со редукција на бор триоксид или со јаглерод или со магнезиум во присуство на јаглерод во печка со електричен лак . Во случај на јаглерод, реакцијата се јавува на температури над точката на топење на B4C и е придружена со ослободување на голема количина на јаглерод моноксид :Weimer, p. 131

 2B2O3 + 7C → B4C + 6CO

Ако се користи магнезиум, реакцијата може да се изведе во графитна садница, а нуспроизводите од магнезиум се отстрануваат со третман со киселина.Patnaik, Pradyot (2002).

 Апликации 
мини|Пластика вградена со бор карбид што се користи како заштита во неутронските експерименти во Истражувачкиот центар за атомска енергија, ОК
мини|Бор карбид се користи за внатрешни плочи на балистички елеци
За неговата цврстина :

 Катанци
 Лична и антибалистичка оклопна облога на возила
 Млазници за минирање на шкрилец
 Млазници за сечење воден млаз под висок притисок
 Облоги отпорни на гребење и абење
 Алати за сечење и матрици
 Абразиви
 Композити од метална матрица
 Во облогите на сопирачките на возилата

За други својства

 Апсорбер на неутрони во јадрени реактори (види подолу)
 Високо-енергетско гориво за мотор на набоен млаз со цврсто гориво

 Јадрени апликации 
Способноста на борниот карбид да апсорбира неутрони без да формира долготрајни радионуклиди го прави атрактивен како абсорбент за неутронското зрачење што произлегува во атомските централи Fabrication and Evaluation of Urania-Alumina Fuel Elements and Boron Carbide Burnable Poison Elements, Wisnyi, L. G. and Taylor, K.M., in "ASTM Special Technical Publication No. 276: Materials in Nuclear Applications", Committee E-10 Staff, American Society for Testing Materials, 1959 и од противпешадиски неутронски бомби . Јадрените апликации на бор карбид вклучуваат заштита.Weimer, p. 330

 Наводи 

 Библиографија 


 Надворешни врски 
 Национален инвентар на загадувачи - бор и соединенија
 Влез во базата на податоци на NIST за хемија за бор карбид

Категорија:Соединенија на борот
Категорија:Супертврди материјали
Категорија:Карбиди