1. Základná chémia a kryštalografický dizajn karbidu bóru
1.1 Molekulové zloženie a štrukturálna zložitosť
(Keramika z karbidu bóru)
Karbid bóru (B ŠTYRI C) je jedným z najzaujímavejších a technologicky kľúčových keramických materiálov vďaka svojej jedinečnej kombinácii vysokej pevnosti, nízka hrúbka, a výnimočnú schopnosť absorpcie neutrónov.
Chemicky, je to nestechiometrická látka tvorená predovšetkým atómami bóru a uhlíka, s idealizovaným vzorcom B ₄ C, hoci jeho skutočné zloženie sa môže meniť od B4C do B₁0. PÄŤ C, odráža veľkú rozmanitosť homogenity riadenú alternatívnymi systémami v rámci jej komplexnej kryštálovej mriežky.
Kryštálová štruktúra karbidu bóru pochádza z romboedrického systému (vesmírny tím R3̄m), identifikovaný trojrozmernou sieťou 12-atómových ikosahedrov– zbierky atómov bóru– spojené priamymi C-B-C alebo C-C reťazcami pozdĺž trigonálnej osi.
Tieto dvadsaťsteny, každý pozostáva z 11 atómy bóru a 1 atóm uhlíka (B₁₁ C), sú kovalentne viazané s pozoruhodne silným B– B, B– C, a C– C väzby, prispieva k jeho pôsobivej mechanickej pevnosti a tepelnej bezpečnosti.
Viditeľnosť týchto polyedrických jednotiek a intersticiálnych reťazcov prináša architektonickú anizotropiu a vnútorné problémy, ktoré ovplyvňujú mechanické návyky aj digitálne domovy produktu.
Na rozdiel od ľahších porcelánov, ako je oxid hlinitý alebo karbid kremíka, Atómová architektúra karbidu bóru umožňuje značnú konfiguračnú flexibilitu, umožňuje tvorbu defektov a cirkuláciu poplatkov, ktoré ovplyvňujú jeho výkonnosť pri strese, úzkosti a ožiarení.
1.2 Fyzické a elektronické rezidencie vznikajúce z atómovej väzby
Kovalentná väzbová sieť v karbide bóru vedie k jednej z najvyšších možných uznávaných hodnôt tvrdosti medzi syntetickými materiálmi– druhý po rubíne a kubickom nitride bóru– zvyčajne v rozmedzí od 30 do 38 Priemerná známka v rozsahu tvrdosti Vickers.
Jeho hrúbka je extrémne znížená (~ 2.52 g/cm ŠEST), robiť to okolo 30% ľahší ako oxid hlinitý a takmer 70% ľahší ako oceľ, zásadná výhoda v aplikáciách citlivých na hmotnosť, ako sú jednotlivé štíty a letecké časti.
Karbid bóru vykazuje vynikajúcu chemickú inertnosť, odolávať nárazom mnohých kyselín a antacíd pri úrovni vesmírnej teploty, aj keď môže oxidovať 450 °C na vzduchu, tvorba oxidu boritého (B ₂ O ŠEST) a co2, čo by mohlo ohroziť štrukturálnu poctivosť vo vysokoteplotných oxidačných prostrediach.
Má široký bandgap (~ 2.1 eV), kategorizuje ho ako polovodič s potenciálnymi aplikáciami vo vysokoteplotnej elektronike a detektoroch žiarenia.
Ďalej, jeho vysoký Seebeckov koeficient a znížená tepelná vodivosť z neho robia kandidáta na premenu termoelektrickej energie, najmä v náročných prostrediach, kde tradičné materiály zlyhávajú.
(Keramika z karbidu bóru)
Produkt navyše vykazuje fenomenálnu absorpciu neutrónov vďaka veľkému prierezu zachytávania neutrónov izotopu ¹⁰ B (o 3837 stodoly pre tepelné neutróny), čo je nevyhnutné v riadiacich tyčiach jadrového reaktora, chrániacich, a investované systémy skladovacích priestorov plynu.
2. Syntéza, Manipulácia, a Prekážky v zahusťovaní
2.1 Priemyselná výroba a metódy výstavby prášku
Karbid bóru vo veľkej miere vzniká pri vysokoteplotnom karbotermickom poklese kyseliny boritej (H₃BO₃) alebo oxid boritý (B ₂ O PÄŤ) s uhlíkovými zdrojmi, ako je ropný koks alebo drevené uhlie v elektrických oblúkových ohrievačoch 2000 °C.
Odpoveď prebieha ako: 2B DVA O DVA + 7C → B ŠTYRI C + 6CO, generovanie hrubého, uhlové prášky, ktoré potrebujú značné mletie na dosiahnutie submikrónových veľkostí fragmentov vhodných na keramickú manipuláciu.
Alternatívne cesty syntézy zahŕňajú samo sa šíriacu vysokoteplotnú syntézu (SHS), laserom indukované chemické nanášanie pár (CVD), a techniky s pomocou plazmy, ktoré využívajú lepšiu kontrolu nad stechiometriou a morfológiou fragmentov, ale sú menej škálovateľné na priemyselné použitie.
Vďaka svojej ťažkej pevnosti, mletie karbidu bóru priamo na veľké prášky je energeticky náročné a náchylné na kontamináciu z mriežkového média, náročné na použitie mlynov vyložených karbidom bóru alebo polymérnych mlecích pomôcok na udržanie čistoty.
Výsledné prášky by sa mali starostlivo identifikovať a deaglomerovať, aby sa zaručilo rovnomerné balenie a spoľahlivé spekanie.
2.2 Obmedzenia spekania a pokročilé kombinované prístupy
Významným problémom keramickej konštrukcie z karbidu bóru je jej kovalentná väzbová povaha a nízky koeficient samodifúzie, ktoré výrazne obmedzujú zahusťovanie pri štandardnom beztlakovom spekaní.
Aj pri blížiacich sa teplotách 2200 °C, beztlakovým spekaním sa vo všeobecnosti vyrábajú porcelány s 80– 90% akademickej hrúbky, zanecháva zvyškovú pórovitosť, ktorá zhoršuje mechanickú odolnosť a balistický výkon.
Toto dobyť, pokročilé techniky zahusťovania, ako je lisovanie za tepla (HP) a horúce izostatické tlačenie (HIP) sa využívajú.
Tlačenie za tepla vyvoláva jednoosové napätie (bežne 30– 50 MPa) pri teplotách medzi nimi 2100 °C a 2300 °C, podporuje preskupovanie fragmentov a plastickú deformáciu, umožňujúce prekročenie hrúbky 95%.
HIP ešte viac zlepšuje zahusťovanie použitím izostatického tlaku plynu (100– 200 MPa) po zapuzdrení, odstránenie uzavretých pórov a dosiahnutie takmer plnej hustoty so zlepšenou odolnosťou voči prasklinám.
Prísady ako uhlík, kremík, alebo posunúť boridy kovov (napr., TiB DVA, CrB DVA) sa niekedy zavádzajú v malých množstvách na zvýšenie spekateľnosti a zabránenie rastu zŕn, hoci môžu trochu minimalizovať pevnosť alebo účinnosť absorpcie neutrónov.
Napriek týmto objavom, slabosť hraníc zŕn a vnútorná krehkosť sú aj naďalej neúprosnými výzvami, najmä v podmienkach silného zaťaženia.
3. Mechanické pôsobenie a výkon pri extrémnych podmienkach zaťaženia
3.1 Systémy balistickej odolnosti a zlyhania
Karbid bóru je široko uznávaný ako prvotriedny materiál pre ľahkú balistickú ochranu v pancieroch, oplechovanie auta, a tienenie lietadla.
Jeho vysoká pevnosť mu umožňuje správne znehodnotiť a deformovať prichádzajúce projektily, ako sú guľky a kusy prepichujúce pancier, disipácia kinetickej energie cez systémy pozostávajúce z trhliny, mikrokrakovanie, a lokálna zmena javiska.
Napriek tomu, karbid bóru vykazuje jav tzv “amorfizácia pri šoku,” kde, pri vysokorýchlostnom náraze (zvyčajne > 1.8 km/s), kryštalická štruktúra sa rozpadá priamo na neusporiadanú, amorfná fáza, ktorá nemá únosnosť, čo má za následok tragické zlyhanie.
Táto tlakom vyvolaná amorfizácia, pozorované prostredníctvom in-situ röntgenovej difrakcie a TEM štúdií, sa pripisuje rozpadu ikosaedrických systémov a C-B-C reťazcov pri extrémnom šmykovom namáhaní.
Snahy o zmiernenie tohto spočívajú v zlepšovaní obilia, kompozitný štýl (napr., B ŠTYRI C-SiC), a pokrytie povrchovej plochy poddajnými oceľami na oddialenie proliferácie lomu a fragmentácie.
3.2 Odolnosť proti opotrebovaniu a priemyselné aplikácie
Minulá obrana, Odolnosť karbidu bóru voči oderu ho robí ideálnym pre komerčné aplikácie vrátane silného opotrebovania, ako sú trysky na pieskovanie, hroty na rezanie vodným lúčom, a brúsne médiá.
Jeho pevnosť podstatne prevyšuje pevnosť karbidu volfrámu a oxidu hlinitého, čo vedie k predĺženiu životnosti a minimalizácii nákladov na údržbu vo vysokovýkonných výrobných prostrediach.
Prvky vyrobené z karbidu bóru môžu pracovať pri vysokotlakových abrazívnych prúdoch bez rýchleho zničenia, aj keď je potrebná opatrnosť, aby sa zabránilo tepelnému šoku a ťahovému napätiu počas postupu.
Jeho použitie v jadrových zariadeniach navyše dosahuje komponenty odolné voči opotrebovaniu v systémoch na manipuláciu s plynom, kde sa vyžaduje mechanická odolnosť a absorpcia neutrónov.
4. Strategické aplikácie v jadrovej oblasti, Letectvo a kozmonautika, a vznikajúce technológie
4.1 Riešenia absorpcie neutrónov a ochrany pred žiarením
Jednou z najdôležitejších nevojenských aplikácií karbidu bóru zostáva atómová energia, kde slúži ako produkt absorbujúci neutróny v riadiacich póloch, uzatváracie pelety, a konštrukcie chrániace pred žiarením.
Vďaka vysokému bohatstvu izotopu ¹⁰ B (normálne ~ 20%, však môže byť obohatený o > 90%), karbid bóru efektívne zachytáva tepelné neutróny cez ¹⁰ B(n, a)sedem Li odpoveď, vytváranie alfa fragmentov a lítiových iónov, ktoré sú ľahko obsiahnuté v produkte.
Táto reakcia je nerádioaktívna a vytvára veľmi málo vedľajších produktov s dlhou životnosťou, vďaka čomu je karbid bóru oveľa bezpečnejší a oveľa stabilnejší ako alternatívy ako kadmium alebo hafnium.
Používa sa v aktivátoroch tlakovej vody (PWR), reaktory s vriacou vodou (BWR), a výskumné aktivátory, typicky vo forme spekaných peliet, oblečené rúrky, alebo kompozitné panely.
Jeho stabilita pri neutrónovom žiarení a schopnosť udržiavať štiepne produkty zlepšujú bezpečnosť a zabezpečenie aktivátora a dlhú životnosť.
4.2 Letectvo a kozmonautika, Termoelektrika, a budúce materiálne hranice
Vo vesmíre, Karbid bóru sa objavuje na použitie v nadzvukových vodiacich bočniciach automobilov, kde má vysoký faktor topenia (~ 2450 °C), znížená hrúbka, a odolnosť proti tepelným šokom ponúkajú výhody oproti kovovým zliatinám.
Jeho potenciál v termoelektrických prístrojoch pochádza z jeho vysokého Seebeckovho koeficientu a zníženej tepelnej vodivosti, umožňujúci priamu premenu odpadového tepla na elektrickú energiu v drsných atmosférach, ako sú sondy do hlbokého vesmíru alebo systémy s jadrovým pohonom.
Prebieha tiež štúdia na vytvorenie kompozitov na báze karbidu bóru s uhlíkovými nanorúrkami alebo grafénom na zvýšenie húževnatosti a elektrickej vodivosti pre multifunkčnú architektonickú elektroniku..
Ďalej, jeho polovodičové budovy sú využívané v radiačne tvrdených snímacích jednotkách a detektoroch pre oblasti a jadrové aplikácie.
V rekapitulácii, Porcelán z karbidu bóru predstavuje základný materiál na križovatke extrémnej mechanickej účinnosti, jadrový dizajn, a pokročila výroba.
Jeho jedinečná zmes ultra vysokej pevnosti, znížená hrúbka, a schopnosť absorpcie neutrónov ho robí nenahraditeľným v obranných a jadrových moderných technológiách, zatiaľ čo kontinuálna výskumná štúdia zostáva na rozšírenie jej energie priamo do kozmonautiky, premena energie, a zlúčeniny novej generácie.
Ako rastú rafinačné stratégie a objavujú sa nové kompozitné dizajny, Karbid bóru určite zostane na čele inovácií materiálov pre najnáročnejšie technologické prekážky.
5. Distribútor
Advanced Ceramis založená v októbri 17, 2012, je high-tech podnik zameraný na výskum a vývoj, výroby, spracovanie, predaj a technické služby keramických príbuzných materiálov a výrobkov. Naše produkty zahŕňajú okrem iného keramické produkty z karbidu bóru, Keramické výrobky z nitridu bóru, Keramické výrobky z karbidu kremíka, Keramické výrobky z nitridu kremíka, Keramické výrobky z oxidu zirkoničitého, atď. Ak máte záujem, neváhajte nás kontaktovať.([email protected])
Tagy: Karbid bóru, Bórová keramika, Keramika z karbidu bóru
Všetky články a obrázky sú z internetu. Ak existujú nejaké problémy s autorskými právami, kontaktujte nás včas na odstránenie.
Opýtajte sa nás