Bor karbidli keramika: Ilmiy tadqiqotlar bilan tanishtirish, Xususiyatlari, va ultra-qattiq ilg'or materialning inqilobiy ilovalari
1. Bor karbidiga kirish: Ekstremaldagi material
Bor karbid (B ₄ C) zamonaviy mahsulotlar ilmiy tadqiqotlarida tan olingan eng ajoyib sun'iy mahsulotlardan biri hisoblanadi, Yerdagi eng qattiq materiallar qatoriga joylashishi bilan ajralib turadi, faqat olmos va kub bor nitrididan oshib ketdi.
(Bor karbidli keramika)
Birinchi marta 19-asrda sintez qilingan, Bor karbid aslida laboratoriya qiziqishidan yuqori samarali dizayn tizimlarida muhim elementga aylandi., innovatsiyalarni himoya qilish, va yadroviy dasturlar.
O'ta mustahkamlikning maxsus kombinatsiyasi, kamaytirilgan zichlik, yuqori neytron yutilish kesimi, va g'ayrioddiy kimyoviy barqarorlik uni standart materiallar kam bo'lgan muhitda juda muhim qiladi.
Ushbu maqola bor karbidli keramika bo'yicha keng qamrovli, ammo foydalanish mumkin bo'lgan tadqiqotlarni beradi, uning atom tuzilishiga sho'ng'ish, sintez texnikasi, mexanik va jismoniy turar-joy yoki tijorat xususiyatlari, va uning ajoyib atributlaridan foydalanadigan ilg'or ilovalarning xilma-xilligi.
Maqsad - klinik tushunish va amaliy qo'llash o'rtasidagi bo'shliqni bog'lash, o'quvchilarga chuqur ma'lumot beradi, Bu ajoyib keramika materiali zamonaviy texnologiyani qanday shakllantirayotganini aniq tushunish.
2. Atom tuzilishi va asosiy kimyo
2.1 Kristalli panjara va bog'lanish xususiyatlari
Bor karbid rombedral ramkada kristallanadi (maydon jamoasi R3m) o'zgaruvchan stoxiometriyani o'z ichiga olgan murakkab qurilma hujayrasi bilan, odatda B ₄ C dan B ₁₀ gacha. BESH C.
Ushbu strukturaning asosiy poydevori asosan bor atomlaridan tashkil topgan 12 atomli ikosaedradir., kristall panjarani kengaytiruvchi uch atomli to'g'ri zanjirlar bilan bog'langan.
Ikosaedralar bor tarmog'idagi kuchli kovalent bog'lanish natijasida juda barqaror klasterlardir., Ikosaedrlararo zanjirlar esa– odatda C-B-C yoki B-B-B tartiblarini o'z ichiga oladi– materialning mexanik va raqamli turar joy xususiyatlarini o'rnatishda hal qiluvchi rol o'ynaydi.
Ushbu maxsus uslub yuqori darajadagi kovalent bog'lanishga ega bo'lgan mahsulotga olib keladi (tugadi 90%), Bu to'g'ridan-to'g'ri uning ajoyib mustahkamligi va termal barqarorligi uchun javobgardir.
Zanjir joylarida uglerodning ko'rinishi me'moriy barqarorlikni oshiradi, ammo ideal stokiyometriyadagi nomuvofiqliklar mexanik samaradorlik va sinterlanishga ta'sir qiluvchi kamchiliklarni keltirib chiqarishi mumkin.
(Bor karbidli keramika)
2.2 Tarkibiy tartibsizlik va nuqsonlar kimyosi
Stokiometriyaga g'amxo'rlik qilingan bir nechta keramikadan farqli o'laroq, bor karbid keng bir xillik qatorini ko'rsatadi, umumiy kristall ramkaga aralashmasdan bor-uglerod nisbatida sezilarli o'zgarishlarga imkon beradi.
Ushbu moslashuvchanlik muayyan ilovalar uchun moslashtirilgan xususiyatlarni yaratishga imkon beradi, garchi u qayta ishlash va samaradorlikning bir xilligida ham qiyinchiliklar tug'diradi.
Uglerod etishmasligi kabi kamchiliklar, bor teshiklari, va ikosahedral buzilishlar keng tarqalgan va qattiqlikka ta'sir qilishi mumkin, yorilishga chidamliligi, va elektr o'tkazuvchanligi.
Masalan; misol uchun, past stoxiometrik bo'yanishlar (borga boy) ko'proq qattiqlik ko'rsatishga moyil bo'lsa-da, sinish chidamliligi minimallashtiriladi, uglerodga boy o'zgarishlar esa qattiqlik hisobiga yaxshilangan sinterlanish qobiliyatini ko'rsatishi mumkin.
Ushbu kamchiliklarni tushunish va tartibga solish bor karbidini ilg'or tadqiqotlarda hal qiluvchi ahamiyatga ega, ayniqsa, qalqon va yadroviy dasturlarda samaradorlikni oshirish uchun.
3. Sintez va qayta ishlash texnikasi
3.1 Asosiy ishlab chiqarish usullari
Bor karbid kukuni asosan yuqori haroratli karbotermik pasayish natijasida hosil bo'ladi, borik kislotasi bo'lgan protsedura (H ₃ BO uch) yoki bor oksidi (B IKKI O ₃) uglerod manbalari, masalan, elektr boshq pechida neft koksi yoki ko'mir bilan javob beradi.
Reaksiya mos keladigan tarzda davom etadi:
B IKKI O ₃ + 7C → 2B TO'RT C + 6CO (gaz)
Bu jarayon yuqori haroratlarda sodir bo'ladi 2000 ° C, muhim energiya sarfini talab qiladi.
Olingan xom B FOUR C shundan so'ng maydalanadi va takroriy uglerod va reaksiyaga kirmagan oksidlardan xalos bo'lish uchun tozalanadi..
Muqobil usullar magneziotermik pasayishni o'z ichiga oladi, lazer yordamida sintez, va plazma yoyi sintezi, fragment o'lchami va tozaligi ustidan yaxshiroq nazoratni ta'minlaydi, ammo odatda kichik hajmdagi yoki maxsus ishlab chiqarish bilan cheklanadi.
3.2 Zichlanish va sinterlashdagi qiyinchiliklar
Bor karbidli keramika ishlab chiqarishdagi eng muhim muammolardan biri bu qattiq kovalent bog'lanish va kamaytirilgan o'z-o'zidan tarqalish koeffitsienti tufayli to'liq zichlikka erishishdir..
An'anaviy bosimsiz sinterlash ko'pincha yuqori porozlik darajasiga olib keladi 10%, mexanik chidamlilik va ballistik samaradorlikni keskin xavf ostiga qo'yadi.
Buni yengish uchun, ilg'or zichlashtirish usullari qo'llaniladi:
Issiq surish (HP): Issiqlikni bir vaqtning o'zida qo'llashni o'z ichiga oladi (odatda 2000– 2200 ° C )va bir eksenli bosim (20– 50 MPa) inert muhitda, deyarli nazariy qalinlikni hosil qiladi.
Issiq izostatik presslash (HIP): Yuqori harorat va izotrop gaz kuchlanishidan foydalanadi (100– 200 MPa), ichki teshiklarni olib tashlash va mexanik barqarorlikni oshirish.
Spark plazmasini sinterlash (SPS): Kukun kompaktini tez qizdirish uchun impulsli to'g'ridan-to'g'ri mavjud, pastroq harorat darajasida va ancha qisqa vaqtlarda zichlashtirish imkonini beradi, nozik don tuzilishini saqlab qolish.
Uglerod kabi qo'shimchalar, kremniy, yoki smenali metall boridlar ko'pincha don chegarasining tarqalishini rag'batlantirish va sinterlash qobiliyatini oshirish uchun taqdim etiladi, Garchi ular kamsituvchi mustahkamlikdan saqlanish uchun juda ehtiyotkorlik bilan tartibga solinishi kerak.
4. Mexanik va jismoniy turar joy
4.1 Istisno mustahkamlik va aşınma qarshilik
Bor karbid o'zining Vickers qattiqligi bilan mashhur, odatda dan farq qiladi 30 uchun 35 O'rtacha ball, uni eng qiyin ma'lum materiallar qatoriga joylashtirish.
Bu qattiq qattiqlik abraziv aşınmaya ta'sirchan qarshilikka aylanadi, qum püskürtme nozullari kabi ilovalar uchun B FOUR C juda yaxshi qiladi, kamaytirish vositalari, va tog'-kon va zerikarli uskunalarda plitalar kiyish.
Bor karbididagi eskirish moslamasi plastik deformatsiyadan farqli o'laroq, mikro sindirish va donni tortib olishni o'z ichiga oladi., mo'rt chinnilarga xos xususiyat.
Shunga qaramay, uning past yorilishga chidamliligi (odatda 2,5– 3.5 MPa · m 1ST / IKKI) ta'sirli yuk ostida tarqalishni buzishga moyil qiladi, jonli ilovalarda ehtiyotkorlik bilan dizaynni talab qiladi.
4.2 Past zichlik va yuqori tafsilotlar kuchi
Taxminan zichligi bilan 2.52 g/sm UCH, bor karbid mavjud bo'lgan eng engil me'moriy chinnilardan biridir, og'irlikka sezgir ilovalarda sezilarli foydadan foydalanish.
Bu past zichlik, yuqori bosimga chidamliligi bilan birlashtirilgan (tugadi 4 Gpa), ajoyib detallar kuchiga olib keladi (quvvatning zichlikka nisbati), aerokosmik va himoya tizimlari uchun juda muhim, bu erda massani kamaytirish juda muhimdir.
Masalan, shaxsiy va avtomobil zirhlarida, B FOUR C har bir vazni po'lat yoki aluminadan farqli ravishda yuqori darajadagi xavfsizlikni taklif qiladi, yengilroq qilish imkonini beradi, ko'proq mobil xavfsizlik tizimlari.
4.3 Termik va kimyoviy barqarorlik
Bor karbid ajoyib termal barqarorlikni namoyish etadi, kabi mexanik uylarini saqlab qolish 1000 ° C inert muhitda.
Uning atrofida yuqori erish nuqtasi bor 2450 ° C va termal o'sish koeffitsienti kamayadi (~ 5.6 × 10 ⁻⁶/ K), katta termal zarba qarshiligiga qo'shiladi.
Kimyoviy, kislotalarga juda chidamli (HNO ₃ kabi oksidlovchi kislotalardan tashqari) va suyultirilgan metallar, og'ir kimyoviy atmosferalarda va atom elektr stantsiyalarida foydalanish uchun mos qilish.
Biroq, oksidlanish jarayoni sezilarli darajada oshadi 500 havoda ° C, borik oksidi va karbonat angidrid hosil qiladi, vaqt o'tishi bilan yuzaki halollikni buzishi mumkin.
Himoya qatlamlari yoki atrof-muhit nazorati yuqori haroratli oksidlanish muammolarida tez-tez talab qilinadi.
5. Maxfiy ilovalar va texnik effekt
5.1 Balistik xavfsizlik va qalqon yechimlari
Bor karbid mustahkamligi va qalinligining teng bo'lmagan aralashmasi tufayli zamonaviy engil qalqonning asosiy materialidir..
U keng tarqalgan bo'lib ishlatiladi:
Tana zirhlari uchun keramik plitalar (III va IV darajali himoya).
Armiya va politsiya ilovalari uchun avtomobil qalqoni.
Samolyot va vertolyot kokpitini himoya qilish.
Kompozit qalqon tizimlarida, B ₄ C plitkalari odatda tola bilan mustahkamlangan polimerlar bilan qo'llab-quvvatlanadi (masalan, Kevlar yoki UHMWPE) keramik qatlam snaryadni sindirib tashlaganidan keyin qoldiq kinetik energiyani so'rish uchun.
Yuqori mustahkamligidan qat'i nazar, B FOUR C zimmasiga olishi mumkin “amorfizatsiya” yuqori tezlikli ta'sir ostida, juda yuqori energiyali xavflarga nisbatan uning ish faoliyatini cheklaydigan hodisa, kompozit modifikatsiyalar va gibrid chinni bo'yicha takroriy o'rganishni rag'batlantirish.
5.2 Yadro dizayni va neytronlarning yutilishi
Bor karbidining eng muhim vazifalari yadro reaktorlarini boshqarish, xavfsizlik va xavfsizlik tizimlarida qolmoqda..
¹⁰ B izotopining yuqori neytron yutilish kesimi tufayli (3837 termal neytronlar uchun omborlar), B FOUR C da ishlatiladi:
Bosimli suv reaktorlari uchun boshqaruv rodlari (PWRlar) va qaynoq suv reaktorlari (BWRs).
Neytronni himoya qiluvchi qismlar.
Favqulodda vaziyatlarni yopish tizimlari.
Uning neytronlarni nurlanish ta'sirida sezilarli darajada shishib yoki vayron bo'lmasdan singdirish qobiliyati uni yadroviy muhitda qulay mahsulotga aylantiradi..
Shunga qaramay, ¹⁰ B dan geliy gazining hosil bo'lishi(n, a)⁷ Li reaktsiyasi vaqt o'tishi bilan ichki bosimning oshishiga va mikrokrekingga olib kelishi mumkin, uzoq muddatli ilovalarda ehtiyotkorlik bilan dizayn va kuzatishni talab qiladi.
5.3 Sanoat va aşınmaya bardoshli komponentlar
Mudofaa va yadro bozoridan tashqari, Bor karbid haddan tashqari aşınma qarshilik talab qiladigan sanoat ilovalarida keng qamrovli foydalanishni topadi:
Dag'al suv oqimini kesish va qum bilan tozalash uchun nozullar.
Nasoslar uchun qoplamalar va qattiq shlaklar bilan ishlov berishni o'chirish.
Rangli mahsulotlar uchun asboblarni kamaytirish.
Uning kimyoviy inertligi va termal barqarorligi uni kimyoviy ishlov berishning xavfli atmosferalarida ishonchli bajarishga imkon beradi, bu erda po'lat asboblar tezda eskiradi..
6. Kelajak istiqbollari va tadqiqot o'rganish chegaralari
Bor karbidli chinnilarning kelajagi uning ichki cheklovlarini engishga bog'liq– ayniqsa past yorilishga chidamliligi va oksidlanishga chidamliligi– ilg'or kompozitsion uslub va nanostruktura bilan.
Hozirgi tadqiqot yo'nalishlari quyidagilardan iborat:
B ₄ C-SiC ning o'sishi, B ₄ C-TiB ₂, va B FOUR C-CNT (uglerod nanotubkasi) kuch va issiqlik o'tkazuvchanligini oshirish uchun aralashmalar.
Oksidlanish qarshiligini oshirish uchun sirtni o'zgartirish va tugatish yangiliklari.
Qo'shimcha ishlab chiqarish (3D bosib chiqarish) ob'ektning B TO'RT C qismlari biriktiruvchi oqim va SPS strategiyalaridan foydalangan holda.
Material sifatida ilmiy tadqiqotlar rivojlanishda davom etadi, Bor karbid keyingi avlod innovatsiyalarida yanada yaxshi rol o'ynash uchun joylashtirilgan, gipertovushli yuk mashinasi qismlaridan innovatsion yadro aralashmasi faollashtiruvchilariga qadar.
Xulosa qilish uchun, bor karbidli keramika ishlab chiqarilgan material samaradorligining eng yuqori cho'qqisini anglatadi, qattiq qat'iylikni birlashtirish, qisqartirilgan qalinligi, va bitta moddada maxsus yadroviy turar joy mulklari.
Sintezda uzluksiz rivojlanish orqali, ishlov berish, va ilova, bu ajoyib material yuqori samarali dizaynda mumkin bo'lgan chegaralarni surishda davom etmoqda.
Distribyutor
Advanced Ceramics oktyabr oyida tashkil etilgan 17, 2012, tadqiqot va ishlanmalarga sodiq bo'lgan yuqori texnologiyali korxona, ishlab chiqarish, qayta ishlash, sopol nisbiy materiallar va mahsulotlarni sotish va texnik xizmat ko'rsatish. Mahsulotlarimiz bor karbidli keramika mahsulotlarini o'z ichiga oladi, lekin ular bilan cheklanmaydi, Bor nitridi keramika mahsulotlari, Silikon karbid seramika mahsulotlari, Silikon nitridli keramika mahsulotlari, Zirkonyum dioksid seramika mahsulotlari, va hokazo. Agar qiziqsangiz, iltimos biz bilan bog'laning.([email protected])
Teglar: Bor karbid, Bor keramikasi, Bor karbidli keramika
Barcha maqolalar va rasmlar Internetdan olingan. Agar mualliflik huquqi bilan bog'liq muammolar mavjud bo'lsa, o'chirish uchun o'z vaqtida biz bilan bog'laning.
Bizdan so'rang