Бор карбиді керамика: Ғылыми зерттеулермен таныстыру, Қасиеттер, және ультра-қатты кеңейтілген материалдың революциялық қолданбалары
1. Бор карбидімен таныстыру: Шектен тыс материал
Бор карбиді (B ₄ C) Қазіргі заманғы өнімдердің ғылыми зерттеулерінде мойындалған ең таңғажайып жасанды өнімдердің бірі болып табылады, Жердегі ең қатты материалдардың қатарында орналасуымен ерекшеленеді, алмаз және текше бор нитриді ғана асып түсті.
(Бор карбиді керамика)
Алғаш рет 19 ғасырда синтезделген, Бор карбиді зертханалық қызығушылықтан жоғары өнімді дизайн жүйелеріндегі маңызды элементке айналды., инновацияларды қорғау, және ядролық қолданбалар.
Оның экстремалды қаттылықтың ерекше үйлесімі, төмендетілген тығыздық, жоғары нейтронды жұту көлденең қимасы, және ерекше химиялық тұрақтылық оны стандартты материалдар жетпейтін ортада өте маңызды етеді.
Бұл мақалада бор карбиді керамикасының кең, бірақ қолжетімді барлауы берілген, оның атомдық құрылымына сүңгу, синтездеу әдістері, механикалық және физикалық тұрғын немесе коммерциялық қасиеттер, және оның ерекше атрибуттарын пайдаланатын кеңейтілген қолданбалардың алуан түрі.
Мақсат - клиникалық түсінік пен практикалық қолдану арасындағы кеңістікті байланыстыру, оқырмандарға терең мағлұмат береді, Бұл таңғажайып керамикалық материал қазіргі заманғы технологияны қалай қалыптастыратынын ұғындырады.
2. Атом құрылысы және негізгі химия
2.1 Кристалдық тор және байланыс сипаттамалары
Бор карбиді ромбоэдрлік шеңберде кристалданады (аудан командасы R3m) айнымалы стехиометрияны орналастыратын күрделі құрылғы ұяшығымен, әдетте B ₄ C бастап B ₁₀ аралығында болады. БЕС C.
Бұл құрылымның негізгі негізі негізінен бор атомдарынан тұратын 12 атомды икосаэдралар болып табылады., кристалдық торды кеңейтетін үш атомды түзу тізбектермен байланысқан.
Икосаэдралар бор желісіндегі күшті коваленттік байланыстың нәтижесінде өте тұрақты кластерлер болып табылады., ал икосаэдраралық тізбектер– әдетте C-B-C немесе B-B-B құрылымдарын қамтиды– материалдың механикалық және цифрлық тұрғын үй қасиеттерін анықтауда шешуші рөл атқарады.
Бұл ерекше стиль коваленттік байланыстың жоғары дәрежесі бар өнімге әкеледі (бітті 90%), Бұл оның керемет беріктігі мен термиялық тұрақтылығына тікелей жауапты.
Тізбек учаскелеріндегі көміртектің көрінуі архитектуралық тұрақтылықты арттырады, дегенмен идеалды стехиометриядағы сәйкессіздіктер механикалық тиімділік пен сіңімділікке әсер ететін кемшіліктерді тудыруы мүмкін.
(Бор карбиді керамика)
2.2 Композицияның ретсіздігі және ақаулар химиясы
Стехиометрияға қамқорлық жасайтын бірнеше керамикадан айырмашылығы, бор карбиді кең біртектілік массивін көрсетеді, жалпы кристалдық қаңқаға кедергі келтірместен бор-көміртек қатынасының айтарлықтай өзгеруіне мүмкіндік береді.
Бұл бейімделгіштік арнайы қолданбалар үшін бейімделген сипаттарға мүмкіндік береді, бірақ ол өңдеу және тиімділік біркелкілігінде қиындықтар туғызады.
Көміртегі тапшылығы сияқты кемшіліктер, бор саңылаулары, және икосаэдрлік бұрмаланулар жиі кездеседі және қаттылыққа әсер етуі мүмкін, сызаттардың беріктігі, және электр өткізгіштігі.
Мысалы, төмен стехиометриялық макияждар (борға бай) сыну беріктігі азайтылғанымен, үлкен қаттылық көрсетеді, ал көміртегіге бай вариациялар қаттылық есебінен жақсартылған агломерацияны көрсете алады.
Осы кемшіліктерді түсіну және реттеу бор карбидінің озық зерттеулеріндегі маңызды бағыт болып табылады, арнайы қалқан және ядролық қолданбалардағы тиімділікті арттыру үшін.
3. Синтездеу және өңдеу әдістері
3.1 Өндірістің негізгі әдістері
Бор карбиді ұнтағы негізінен жоғары температурадағы карботермиялық тотықсыздану арқылы жасалады, бор қышқылы бар процедура (H ₃ BO ҮШ) немесе бор оксиді (B ЕКІ O ₃) электр доғалық пештегі мұнай коксы немесе көмір сияқты көміртекті ресурстармен жауап береді.
Реакция сәйкесінше жалғасады:
B ЕКІ O ₃ + 7C → 2B FOUR C + 6CO (газ)
Бұл процесс одан жоғары температура деңгейінде жүреді 2000 ° C, айтарлықтай энергия енгізуді талап етеді.
Алынған шикі B FOUR C содан кейін ұнтақталған және қайталанатын көміртегі мен реакцияға түспеген оксидтерден құтылу үшін тазартылады..
Балама әдістерге магнезиотермиялық қалпына келтіру кіреді, лазерлік синтез, және плазмалық доғаның синтезі, фрагмент өлшемі мен тазалығын жақсырақ бақылауды қамтамасыз ететін, бірақ әдетте шағын ауқымды немесе арнайы өндіріспен шектеледі.
3.2 Тығыздау және агломерация кезіндегі қиындықтар
Бор карбидті керамика өндірісіндегі ең маңызды мәселелердің бірі оның қатты ковалентті байланысы және өзіндік диффузия коэффициентінің төмендеуіне байланысты толық тығыздауға қол жеткізу болып табылады..
Кәдімгі қысымсыз агломерация көбінесе кеуектіліктің жоғары деңгейіне әкеледі 10%, механикалық төзімділікке және баллистикалық тиімділікке айтарлықтай қауіп төндіреді.
Мұны жеңу үшін, прогрессивті тығыздау әдістері қолданылады:
Ыстық итеру (HP): Жылудың бір мезгілде қолданылуын талап етеді (әдетте 2000– 2200 ° C )және бір осьтік қысым (20– 50 МПа) инертті ортада, жуық теориялық қалыңдықты тудырады.
Жылы изостатикалық басу (HIP): Жоғары температура мен изотропты газ кернеуін пайдаланады (100– 200 МПа), ішкі кеуектерді кетіру және механикалық тұрақтылықты арттыру.
Spark плазмалық агломерация (SPS): Ұнтақ ықшамды жылдам қыздыру үшін бар импульстік түзуді пайдаланады, төмен температура деңгейінде және әлдеқайда қысқа уақытта тығыздауға мүмкіндік береді, ұсақ түйіршікті құрылымды сақтайды.
Көміртек сияқты қоспалар, кремний, немесе ауыспалы металл боридтері астық шекарасының диффузиясын ілгерілету және сіңімділікті арттыру үшін жиі ұсынылады, дегенмен олар қорлайтын беріктіктен аулақ болу үшін өте мұқият реттелуі керек.
4. Механикалық және физикалық резиденция
4.1 Ерекше қаттылық пен тозуға төзімділік
Бор карбиді өзінің Викерс қаттылығымен танымал, әдетте өзгереді 30 дейін 35 Орташа балл, оны ең қиын белгілі материалдардың арасында орналастыру.
Бұл қатты беріктік абразивті тозуға әсерлі төзімділікке айналады, B FOUR C құм шашатын саптамалар сияқты қолданбалар үшін тамаша етеді, азайту құралдары, және тау-кен және бұрғылау жабдықтарында пластиналарды кию.
Бор карбидіндегі тозу құрылғысы пластикалық деформацияға қарағанда микросыну мен дәннің тартылуын қамтиды., сынғыш фарфорларға тән қасиет.
Соған қарамастан, оның жарыққа төзімділігі төмен (әдетте 2.5– 3.5 МПа · м 1ST / ЕКІ) әсер ету жүктемесі кезінде таралуды бұзуға бейім етеді, жанды қолданбаларда мұқият дизайнды қажет етеді.
4.2 Төмен тығыздық және жоғары бөлшектердің күші
Шамамен тығыздығымен 2.52 г/см ҮШ, Бор карбиді қол жетімді ең жеңіл сәулет фарфорларының бірі болып табылады, салмаққа сезімтал қолданбаларда айтарлықтай пайданы пайдалану.
Бұл төмен тығыздық, жоғары қысу беріктігімен біріктірілген (бітті 4 GPa), феноменальды бөлшектердің күшіне әкеледі (беріктік пен тығыздыққа пропорция), массасын азайту маңызды болып табылатын аэроғарыштық және қорғаныс жүйелері үшін өте маңызды.
Мысалы, жеке және көлік құралының броньында, B FOUR C болат немесе алюминий тотығына қарама-қайшы келетін әрбір салмақтың жоғары қауіпсіздігін ұсынады, жеңілдетуге мүмкіндік береді, әлдеқайда мобильді қауіпсіздік жүйелері.
4.3 Термиялық және химиялық тұрақтылық
Бор карбиді тамаша термиялық тұрақтылықты көрсетеді, өзінің механикалық үйлерін сонша ұстау 1000 ° C инертті ортада.
Оның айналасында жоғары балқу температурасы бар 2450 ° C және төмендетілген жылу өсу коэффициенті (~ 5.6 × 10 ⁻⁶/ Қ), үлкен термиялық соққыға төзімділікті қосады.
Химиялық, қышқылдарға өте төзімді (HNO ₃ сияқты тотықтырғыш қышқылдардан басқа) және сұйытылған металдар, қатты химиялық атмосферада және атом электр станцияларында қолдануға жарамды етеді.
Дегенмен, тотығу процесі едәуір артады 500 ° C ауада, бор оксиді мен көмірқышқыл газын түзеді, бұл уақыт өте келе беттік адалдықты бұзуы мүмкін.
Қорғаныс қабаттары немесе қоршаған ортаны бақылау жоғары температурадағы тотығу проблемаларында жиі қажет.
5. Құпия қолданбалар және техникалық әсер
5.1 Баллистикалық қауіпсіздік және қорғаныс шешімдері
Бор карбиді - оның беріктігі мен қалыңдығының азаюына байланысты қазіргі заманғы жеңіл қалқандағы негізгі материал..
Ол кеңінен қолданылады:
Дене құрыштарына арналған керамикалық тақталар (III және IV деңгейлі қорғаныс).
Армия мен полиция қолданбаларына арналған автокөлік қалқаны.
Ұшақ пен тікұшақ кабинасын қорғау.
Композиттік қалқан жүйелерінде, B ₄ C плиткалары әдетте талшықты күшейтілген полимерлермен бекітіледі (мысалы, Кевлар немесе UHMWPE) керамикалық қабат снарядты сындырғаннан кейін қалдық кинетикалық энергияны сіңіру.
Оның жоғары беріктігіне қарамастан, B FOUR C қабылдай алады “аморфизация” жоғары жылдамдықпен әсер етеді, өте жоғары энергетикалық тәуекелдерге қарсы оның өнімділігін шектейтін құбылыс, композиттік модификациялар мен гибридті фарфорлар бойынша қайталанатын зерттеуді ынталандыру.
5.2 Ядролық дизайн және нейтронды сіңіру
Бор карбидінің ең маңызды міндеттерінің бірі ядролық реакторларды басқару, қауіпсіздік және қауіпсіздік жүйелері болып табылады..
¹⁰ B изотопының нейтронды сіңіру қимасының жоғары болуына байланысты (3837 термиялық нейтрондарға арналған сарайлар), B FOUR C ішінде қолданылады:
Қысымды су реакторларының басқару штангалары (PWR) және қайнаған су реакторлары (BWRs).
Нейтронды қорғайтын бөліктер.
Төтенше жағдайларды жабу жүйелері.
Оның нейтрондарды сәулелену кезінде айтарлықтай ісінусіз немесе жойылусыз сіңіру қабілеті оны ядролық ортада қолайлы өнімге айналдырады..
Соған қарамастан, ¹⁰ В-дан гелий газының түзілуі(n, а)⁷ Li реакциясы уақыт өте келе ішкі қысымның жоғарылауына және микрокрекингке әкелуі мүмкін, ұзақ мерзімді қолданбаларда сақтықпен жобалауды және қадағалауды қажет етеді.
5.3 Өнеркәсіптік және тозуға төзімді компоненттер
Қорғаныс және ядролық нарықтардан тыс, бор карбиді тозуға төзімділікті талап ететін өнеркәсіптік қолданбаларда жан-жақты қолданылады:
Дөрекі су ағынымен кесуге және құм себуге арналған саптамалар.
Қатты суспензияларды өңдейтін сорғылар мен сөндіргіштерге арналған төсемдер.
Түсті өнімдерді азайту құралдары.
Оның химиялық инерттілігі мен термиялық тұрақтылығы болат құралдары тез тозатын химиялық өңдеудің қауіпті атмосферасында сенімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді..
6. Болашақ перспективалар және зерттеулерді зерттеу шекаралары
Бор карбиді фарфорының болашағы оның ішкі шектеулерін жеңуге байланысты– әсіресе төмен жарықшақтың беріктігі мен тотығуға төзімділігі– жетілдірілген композиттік стильмен және наноқұрылыммен.
Қазіргі зерттеу бағыттары мыналардан тұрады:
B ₄ C-SiC өсуі, B ₄ C-TiB ₂, және B FOUR C-CNT (көміртекті нанотүтік) беріктігі мен жылу өткізгіштігін арттыру үшін қосылыстар.
Тотығуға төзімділікті арттыру үшін бетті өзгерту және әрлеу инновациялары.
Қоспа өндірісі (3D басып шығару) байланыстырғыш ағынды және SPS стратегияларын пайдалана отырып, нысанның B ТӨРТ C бөліктері.
Материал ретінде ғылыми зерттеулер әлі де дамуда, бор карбиді келесі ұрпақ инновацияларында одан да жақсырақ қызмет атқаратындай етіп орналастырылған, Гиперсоникалық жүк көлігі бөліктерінен инновациялық ядролық қоспаны белсендіргіштерге дейін.
Қорытындылау үшін, бор карбидті керамика дайындалған материал тиімділігінің шыңын білдіреді, қатты беріктікті біріктіру, қысқартылған қалыңдығы, және бір заттағы арнайы ядролық тұрғын үй қасиеттері.
Синтезде үздіксіз ілгерілеу арқылы, өңдеу, және қолдану, бұл таңғажайып материал жоғары өнімді дизайнда мүмкін болатын нәрселердің шегінен шығуды жалғастыруда.
Дистрибьютор
Advanced Ceramics қазан айында негізі қаланған 17, 2012, ғылыми-зерттеу және әзірлеуге берілген жоғары технологиялық кәсіпорын болып табылады, өндіріс, өңдеу, керамикалық салыстырмалы материалдар мен бұйымдарды сату және техникалық қызмет көрсету. Біздің өнімдерге бор карбиді керамикалық өнімдер кіреді, бірақ олармен шектелмейді, Бор нитриді керамикалық өнімдер, Кремний карбиді керамикалық бұйымдар, Кремний нитриді керамикалық бұйымдар, Цирконий диоксиді керамикалық бұйымдар, т.б. Егер сізді қызықтырса, бізбен байланысыңыз.([email protected])
Тегтер: Бор карбиді, Бор керамикалық, Бор карбиді керамика
Барлық мақалалар мен суреттер Интернеттен алынған. Авторлық құқық мәселелері болса, жою үшін уақытында бізге хабарласыңыз.
Бізден сұраңыз