1. Boorikarbidin peruskemia ja kristallografinen suunnittelu
1.1 Molekyylikoostumus ja rakenteen monimutkaisuus
(Boorikarbidi keramiikka)
Boorikarbidi (B NELJÄ C) on yksi kiehtovimmista ja teknologisesti tärkeimmistä keraamisista materiaaleista ainutlaatuisen vahvan lujuuden yhdistelmän ansiosta, matala paksuus, ja poikkeuksellinen neutronien absorptiokyky.
Kemiallisesti, se on ei-stoikiometrinen aine, joka koostuu pääasiassa boorista ja hiiliatomeista, idealisoidulla kaavalla B ₄ C, vaikka sen todellinen koostumus voi vaihdella välillä B4C - B10. VIISI C, heijastaa suurta homogeenisuusvaihtelua, jota hallitsevat sen monimutkaisen kidehilan vaihtoehtoiset järjestelmät.
Boorikarbidin kiderunko tulee romboedrijärjestelmästä (avaruusjoukkue R3̄m), tunnistaa 12-atomin ikosaedrien kolmiulotteinen verkko– booriatomien kokoelmat– yhdistetty suorilla C-B-C- tai C-C-ketjuilla trigonaalista akselia pitkin.
Nämä ikosaedrit, jokainen koostuu 11 booriatomit ja 1 hiiliatomi (B11 C), ovat kovalenttisesti sitoutuneita erittäin vahvan B:n kanssa– B, B– C, ja C– C-obligaatiot, myötävaikuttaa sen vaikuttavaan mekaaniseen lujuuteen ja lämpöturvallisuuteen.
Näiden monitahoisten yksiköiden ja interstitiaalisten ketjujen näkyvyys tuo arkkitehtonista anisotropiaa ja luontaisia ongelmia, jotka vaikuttavat sekä tuotteen mekaanisiin tottumuksiin että digitaalisiin koteihin.
Toisin kuin helpot posliinit, kuten alumiinioksidi tai piikarbidi, boorikarbidin atomiarkkitehtuuri mahdollistaa huomattavan konfiguroinnin joustavuuden, mahdollistaa vikojen muodostumisen ja maksukierron, jotka vaikuttavat sen suorituskykyyn stressin, ahdistuksen ja säteilyn aikana.
1.2 Atomic Bondingin aiheuttamat fyysiset ja elektroniset asunnot
Boorikarbidin kovalenttinen sidosverkosto johtaa yhteen korkeimmista mahdollisista tunnustetuista kovuusarvoista synteettisten materiaalien joukossa– toiseksi vain rubiinin ja kuution boorinitridin jälkeen– tyypillisesti alkaen 30 kohtaan 38 Arvosanan keskiarvo Vickersin lujuusalueella.
Sen paksuus on erittäin pienentynyt (~ 2.52 g/cm KUUSI), tehdä sitä ympäriinsä 30% kevyempi kuin alumiinioksidi ja lähes 70% kevyempi kuin teräs, ratkaiseva etu painoherkissä sovelluksissa, kuten yksittäisissä suojuksissa ja ilmailun osissa.
Boorikarbidilla on erinomainen kemiallinen inertisyys, kestää useiden happojen ja antasidien iskun tilan lämpötilan tasolla, vaikka se voi hapettua 450 °C ilmassa, boorioksidin luominen (B ₂ O KUUSI) ja co2, mikä saattaa vaarantaa rakenteellisen rehellisyyden korkean lämpötilan hapetusasetuksissa.
Siinä on laaja kaistaväli (~ 2.1 eV), luokittelemalla sen puolijohteeksi, jolla on potentiaalisia sovellutuksia korkean lämpötilan elektroniikassa ja säteilyilmaisimissa.
Lisäksi, sen korkea Seebeck-kerroin ja alennettu lämmönjohtavuus tekevät siitä ehdokkaan lämpösähköisen energian muuntamiseen, erityisesti vaikeissa ympäristöissä, joissa perinteiset materiaalit epäonnistuvat.
(Boorikarbidi keramiikka)
Tuotteessa on lisäksi ilmiömäinen neutronien absorptio johtuen ¹⁰ B-isotoopin korkeasta neutronien sieppauspoikkileikkauksesta (noin 3837 lattoja lämpöneutroneille), tekee siitä välttämättömän ydinreaktorin ohjaussauvoissa, suojelemassa, ja investoi kaasuvarastojärjestelmiin.
2. Synteesi, Käsittely, ja tiivistymisen esteet
2.1 Teollinen tuotanto ja jauheen rakentamismenetelmät
Boorikarbidi syntyy suurelta osin boorihapon korkean lämpötilan karbotermisellä vähennyksellä (H ₃ BO 3) tai boorioksidia (B ₂ O VIISI) sähkökaaren lämmittimien hiilivarat, kuten öljykoksi tai puuhiili, ylittävät 2000 °C.
Vastaus etenee kuten: 2B KAKSI O KAKSI + 7C → B NELJÄ C + 6CO, tuottaa karkeaa, kulmikkaat jauheet, jotka tarvitsevat huomattavasti jauhamista keraamisen käsittelyyn sopivien submikronisten fragmenttien kokoamiseksi.
Vaihtoehtoisia synteesireittejä ovat itsestään lisääntyvä korkean lämpötilan synteesi (SHS), laser-indusoitu kemiallinen höyrypinnoitus (CVD), ja plasma-avusteiset tekniikat, jotka hallitsevat paremmin stoikiometriaa ja fragmenttien morfologiaa, mutta ovat vähemmän skaalautuvia teolliseen käyttöön.
Kovan lujuutensa vuoksi, boorikarbidin jauhaminen upeiksi jauheiksi on energiaintensiivistä ja alttiina ritilän aiheuttamille kontaminaatioille, vaativa käyttää boorikarbidilla vuorattuja myllyjä tai polymeerisiä jauhatusapuaineita puhtauden ylläpitämiseksi.
Tuloksena olevat jauheet tulee tunnistaa huolellisesti ja deagglomeroida tasaisen pakkauksen ja luotettavan sintraamisen takaamiseksi.
2.2 Sintrausrajoitukset ja edistyneet yhdistelmälähestymistavat
Merkittävä vaikeus boorikarbidikeraamisessa rakenteessa on sen kovalenttinen sitoutuminen ja alhainen itsediffuusiokerroin, jotka rajoittavat voimakkaasti tiivistymistä normaalin paineettoman sintrauksen aikana.
Myös lähestyvissä lämpötiloissa 2200 °C, paineeton sintraus tuottaa yleensä posliinia, jossa on 80– 90% akateemisen paksuuden, jättää jäljelle jäännöshuokoisuutta, joka heikentää mekaanista kestävyyttä ja ballistista suorituskykyä.
Tämän voittamiseksi, edistyneet tiivistystekniikat, kuten kuumatyöntäminen (HP) ja kuuma isostaattinen työntö (HIP) käytetään.
Kuumatyöntö aiheuttaa yksiakselista jännitystä (yleensä 30– 50 MPa) välisissä lämpötiloissa 2100 ° C ja 2300 °C, edistää fragmenttien uudelleenjärjestelyä ja plastista muodonmuutosta, sallien paksuuden ylityksen 95%.
HIP parantaa entisestään tiivistymistä käyttämällä isostaattista kaasupainetta (100– 200 MPa) kapseloinnin jälkeen, poistaa suljetut huokoset ja saavuttaa lähes täyden tiheyden ja parantaa halkeilulujuutta.
Lisäaineet, kuten hiili, piitä, tai siirtää metalliborideja (esim., TiB KAKSI, CrB TWO) joskus lisätään pieninä määrinä sintraavuuden parantamiseksi ja jyvien kasvun estämiseksi, vaikka ne saattavat hieman minimoida kiinteyttä tai neutronien absorptiotehokkuutta.
Näistä läpimurroista huolimatta, raerajojen heikkous ja luontainen hauraus ovat edelleen armottomia haasteita, erityisesti voimakkaissa kuormitusolosuhteissa.
3. Mekaaniset toiminnot ja suorituskyky äärimmäisissä kuormitusolosuhteissa
3.1 Ballistiset vastus- ja vikajärjestelmät
Boorikarbidi on laajalti tunnustettu ensiluokkaiseksi materiaaliksi vartalopanssarien kevyessä ballistisessa suojassa, auton pinnoitus, ja lentokoneen suojaukset.
Sen suuri lujuus mahdollistaa sen huonontumisen ja vääntämisen oikein saapuvia ammuksia, kuten panssaria lävistäviä luoteja ja kappaleita, kineettisen tehon hajottaminen halkeamista koostuvien järjestelmien kautta, mikrohalkeilu, ja paikallinen näyttämövaihto.
Siitä huolimatta, boorikarbidi näyttää ilmiön nimeltä “amorfoituminen shokin alaisena,” jossa, suuren nopeuden vaikutuksen alaisena (yleensä > 1.8 km/s), kiderakenne hajoaa suoraan epäjärjestyneeksi, amorfinen faasi, jolla ei ole kantavuutta, johtaa traagiseen epäonnistumiseen.
Tämä paineen aiheuttama amorfisaatio, havaittiin in situ röntgendiffraktiolla ja TEM-tutkimuksilla, johtuu ikosaedristen järjestelmien ja C-B-C-ketjujen hajoamisesta äärimmäisen leikkausjännityksen alaisena.
Pyrkimykset lieventää tätä koostuvat viljan parantamisesta, komposiittityyli (esim., B NELJÄ C-SiC), ja pinta-alan peittäminen taipuisilla teräksillä, mikä hidastaa murtumien leviämistä ja pirstoutumista.
3.2 Kulutuskestävyys ja teolliset sovellukset
Entinen puolustus, boorikarbidin kulutuskestävyys tekee siitä ihanteellisen kaupallisiin sovelluksiin, mukaan lukien kova kuluminen, kuten hiekkapuhallussuuttimet, vesisuihkuleikkauskärjet, ja jauhatusaineet.
Sen lujuus ylittää huomattavasti volframikarbidin ja alumiinioksidin, mikä pidentää käyttöikää ja minimoi ylläpitokustannukset korkean suorituskyvyn tuotantoympäristöissä.
Boorikarbidista valmistetut elementit voivat toimia korkeapaineisissa hiomavirtauksissa ilman nopeaa tuhoa, vaikka varovaisuutta on vaadittava lämpöshokin ja vetojännityksen estämiseksi toimenpiteen aikana.
Sen käyttö ydinvoimaloissa saavuttaa lisäksi kulutusta kestäviä komponentteja kaasunkäsittelyjärjestelmissä, joissa vaaditaan sekä mekaanista kestävyyttä että neutronien absorptiota.
4. Strategiset sovellukset ydinvoimalla, Ilmailu, ja Emerging Technologies
4.1 Neutroniabsorptio- ja säteilysuojaratkaisut
Yksi tärkeimmistä boorikarbidin ei-sotilaallisista sovelluksista on edelleen atomienergiassa, jossa se toimii neutroneja absorboivana tuotteena ohjauspylväissä, sulkupelletit, ja säteilysuojarakenteet.
¹⁰ B-isotoopin suuren rikkauden vuoksi (normaalisti ~ 20%, voidaan kuitenkin rikastaa > 90%), boorikarbidi sitoo tehokkaasti lämpöneutroneja ¹⁰ B:n kautta(n, a)seitsemän Li vastausta, luomalla alfafragmentteja ja litiumioneja, jotka sisältyvät helposti tuotteeseen.
Tämä reaktio ei ole radioaktiivinen ja tuottaa hyvin vähän pitkäikäisiä sivutuotteita, tekee boorikarbidista paljon turvallisempaa ja vakaampaa kuin vaihtoehdot, kuten kadmium tai hafnium.
Sitä käytetään painevesiaktivaattoreissa (PWR:t), kiehuva vesireaktorit (BWR:t), ja tutkimuksen aktivaattorit, tyypillisesti sintrattujen pellettien muodossa, pukeutuneet putket, tai komposiittipaneeleja.
Sen stabiilius neutronisäteilyssä ja kyky ylläpitää fissiotuotteita parantavat aktivaattorin turvallisuutta ja pitkää käyttöikää.
4.2 Ilmailu, Lämpösähkö, ja tulevaisuuden materiaalirajat
Ilmailussa, boorikarbidia löydetään käytettäväksi hypersonic-autojen etupuolella, jossa sen korkea sulamiskerroin (~ 2450 °C), pienentynyt paksuus, ja lämpöiskun kestävyys tarjoavat etuja metalliseoksiin verrattuna.
Sen potentiaali lämpösähköisissä laitteissa johtuu sen korkeasta Seebeck-kertoimesta ja alhaisemmasta lämmönjohtavuudesta, mahdollistaa hukkalämmön suoran muuntamisen sähköenergiaksi vaikeissa ilmakehissä, kuten syvän avaruuden luotain tai ydinvoimalla toimivissa järjestelmissä.
Meneillään on myös tutkimus boorikarbidipohjaisten komposiittien luomiseksi hiilinanoputkilla tai grafeenilla lisäämään monitoimisen arkkitehtonisen elektroniikan sitkeyttä ja sähkönjohtavuutta.
Lisäksi, sen puolijohderakennuksia hyödynnetään säteilyä kestävissä anturiyksiköissä ja ilmaisimissa alue- ja ydinsovelluksiin.
Kertauksessa, boorikarbidiposliinit edustavat perustamateriaalia äärimmäisen mekaanisen tehokkuuden risteyksessä, ydinvoimasuunnittelu, ja tuotanto edistyi.
Sen ainutlaatuinen sekoitus erittäin korkeaa lujuutta, pienentynyt paksuus, ja neutronien absorptiokyky tekee siitä korvaamattoman puolustus- ja ydinteknologioissa, kun taas jatkuva tutkimus jatkuu energian laajentamiseksi suoraan ilmailuon, energian muuntaminen, ja seuraavan sukupolven yhdisteet.
Jalostusstrategioiden kasvaessa ja uusia komposiittimalleja ilmaantuu, boorikarbidi pysyy varmasti materiaaliinnovaatioiden kärjessä kaikkein vaativimmissa teknologisissa esteissä.
5. Jakelija
Advanced Ceramics perustettiin lokakuussa 17, 2012, on korkean teknologian yritys, joka on sitoutunut tutkimukseen ja kehitykseen, tuotantoa, käsittelyä, keraamisten materiaalien ja tuotteiden myynti ja tekniset palvelut. Tuotteihimme kuuluvat, mutta ei rajoittuen, boorikarbidikeraamiset tuotteet, Boorinitridikeraamiset tuotteet, Piikarbidin keraamiset tuotteet, Piinitridikeraamiset tuotteet, Zirkoniumdioksidikeraamiset tuotteet, jne. Jos olet kiinnostunut, ota rohkeasti yhteyttä.([email protected])
Tunnisteet: Boorikarbidi, Boori keramiikka, Boorikarbidi keramiikka
Kaikki artikkelit ja kuvat ovat Internetistä. Jos on tekijänoikeusongelmia, ota meihin yhteyttä ajoissa poistaaksesi.
Kysy meiltä