Карбид бора (химическая формула B4C) представляет собой боро-углеродную керамику и ковалентное вещество, которое используется в танковой броне, пуленепробиваемых жилетах и множестве других промышленных применений.
Это один из самых твердых известных материалов, уступающий только кубическому нитриду бора и алмазу, с твердостью по Виккерсу > 30 ГПа.
В промышленных масштабах производятся высокотвердые и сверхтвердые материалы на основе кристаллического нитрида бора — эльбор, кубонит, гексанит Р и другие.
Известное сходство с углеродом проявляет и сам бор, а не только его соединения с азотом.
Что такое карбид бора и его соединений
Карбид бора В4С — как один из материалов для изготовления регулирующих стержней. Но это вещество, впервые полученное еще Анри Муассаном, нужно не только атомникам.
Уже много лет его применяют для обработки твердых сплавов, потому что по твердости карбид бора превосходит почти все прочие кристаллы, уступая лишь алмазу.
Этим черным блестящим кристаллам не страшен разогрев. С повышением температуры их свойства почти не меняются, а плавится карбид бора лишь при 2350° С.
Более того, при температуре ниже 1000° С это вещество обладает исключительной химической стойкостью: в этих условиях на него не действуют ни кислород, ни хлор.
Это значит, что инструмент из карбида бора может работать при высоких температурах в окислительных средах.
Причины сочетания великолепных физико-механических и химических свойств этого вещества объясняются строением атома бора и кристаллической структурой карбида бора.
История
Карбид бора был открыт как побочный продукт реакций с боридами металлов в 19 веке, но его химический состав был неизвестен.
Химический состав не был определен до 1930-х годов, когда было установлено, что это B4C.
Точная стехиометрия материала в соотношении 4:1 оставалась предметом споров, поскольку в природе в этой формуле все еще наблюдается небольшой дефицит углерода.
А рентгеноструктурный анализ показывает, что его структура очень сложная, со смесью цепей C-B-C и икосаэдров B12.
Эти характеристики противоречили простой точной эмпирической формуле B4C. Химическая формула «идеального» карбид бора иногда пишется как B12C3, и углеродный дефицит бора карбид определяется с точки зрения сочетания B12C3 и B12 ПГС агрегатов, что связано с B12 структурного подразделения.
Интересный факт: керамика из карбида бора — это ковалентное вещество, которое используется в танковой броне, пуленепробиваемых жилетах, порошках для подрыва двигателей и множестве других промышленных применений.
Кристаллическая структура
Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, характерную для боридов с центром в икосаэдрах.
Икосаэдры B12 образуют ромбоэдрический элемент решетки (пространственная группа: R3m, константы решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм) вокруг цепочки C-B-C в середине элементарной ячейки, и все атомы углерода соединяют три соседних икосаэдра.
Икосаэдры B12 и мостиковые атомы углерода образуют сетчатую плоскость, которая проходит параллельно с-плоскости и укладывается вдоль с-оси, образуя слоистую структуру.
Икосаэдр B12 и B6 Октаэдр — это две фундаментальные структурные единицы решетки. Октаэдры B6 слишком малы, чтобы их можно было связать из-за их небольшого размера.
Вместо этого они связываются с икосаэдрами B12 в соседнем слое, что ослабляет связь в плоскости c.
Химическая формула «идеального» карбида бора иногда записывается как B12С3, а дефицит углерода в карбиде бора определяется в терминах комбинации единиц B12С3 и B12С из-за B12 структурное подразделение.
Некоторые исследования предполагают, что один или несколько атомов углерода могут быть включены в икосаэдры бора, что приводит к формулам типа B11CCBC = B4C на конце стехиометрии с высоким содержанием углерода, но формулам типа B12(CBB) = B14C на конце, богатом бором.
Таким образом, «карбид бора» представляет собой семейство соединений различного состава, а не одно соединение. B12(CBC) = B₆.₅C — распространенный промежуточный продукт, который приблизительно соответствует часто встречающемуся соотношению элементов.
Кристаллическая симметрия состава B4C и неметаллический электрический характер составов B13С2 определяются конфигурационным беспорядком между атомами бора и углерода в разных положениях в кристалле, согласно квантово-механическим расчетам.
Интересный факт: Борсодержащая сталь, используемая в современных автомобилях, чрезвычайно мощная. Предел текучести борсодержащей стали составляет около 1350-1400 Н / мм2 (196 000-203 000 фунтов на квадратный дюйм). Это примерно в четыре раза превышает прочность стандартной высокопрочной стали.
Физические химические свойства
1. Плотность карбида бора составляет почти 2,52 г /см3.
2. Температура плавления карбида бора составляет 2445 °C.
3. Твердость карбида бора колеблется в пределах 2900-3580 кг/ мм2(Knoop 100 г).
4. Вязкость разрушения карбида бора составляет 2,9 — 3,7 МПа / мин−1/2.
5. Модуль Юнга карбида бора составляет 450 — 470 ГПа.
6. Электропроводность карбида бора при 25 ° C составляет 140 С.
7. Теплопроводность при 25°C составляет 30-42 Вт/м.К
8. Улавливание тепловых нейтронов карбидом бора составляет 600 барн.
9. Молярная масса карбида бора составляет 55,255 г/моль.
10. Кристаллическая структура карбида бора имеет ромбоэдрическую форму.
11. Карбид бора B4C нерастворим в полярных соединениях, таких как вода.
Другие свойства
Карбид бора это прочное вещество с высокой ударной вязкостью (примерно от 9,5 до 9,75 по шкале твердости Мооса).
Большим поперечным сечением поглощения нейтронов (т.е. сильными свойствами защиты от нейтронов) и устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химических веществ.
Твердость по Виккерсу (38 ГПа), Модуль упругости (460 ГПа) и вязкость разрушения (3,5 МПа/мин−1/2
) все аналогичны алмазным (1150 GPa и 5,3 MPam−1/2).
Карбид бора, после алмаза и кубического нитрида бора, является третьим по твердости материалом, идентифицированным по состоянию на 2015 год, за что получил прозвище «черный алмаз».
Карбид бора представляет собой полупроводник, в электронных свойствах которого доминирует скачкообразный перенос.
Запрещенная зона по энергии определяется как составом, так и степенью упорядоченности. Ширина запрещенной зоны измеряется равной 2,09 эВ.
А спектр фотолюминесценции осложнен несколькими состояниями со средней шириной запрещенной зоны. Содержание обычно относится к p-типу.
Получение карбида бора
Карбид бора был впервые синтезирован в 1899 году Анри Муассаном в электродуговой печи путем восстановления триоксида бора углеродом или магнием в присутствии углерода.
В случае углерода реакция протекает при температурах выше точки плавления B4C и приводит к выделению значительного количества монооксида углерода.
Если используется магний, реакцию можно проводить в графитовом тигле, при этом побочные продукты магния извлекаются кислотной обработкой.
2В2О3 + 7C → B4C + 6CO
Бор с чистотой 95% может быть получен из оксида путем соединения его с порошкообразным магнием:
В2О3 + 3Mg → 2B + 3MgO
Пропуская смесь BCl3 или BBR₃ и водорода через нагретую танталовую нить, можно получить бор высокой чистоты (>99,9%).:
2BBr3 (g) + 3H2(g) → 2B(s) + 6HBr(g)
Реакция карбида бора
Окисление порошка карбида бора наблюдалось при температурах до 250°C в присутствии воды пара и 450°C в отсутствие водяного пара.
Водяной пар удаляет окисляющее вещество B2O3 быстрее, чем скорость окисления ниже 550⁰ — 600⁰C.
Присутствие B₂o₃ на поверхности B₄C ингибировало окисление H₂O, но не окисление воздухом. Было обнаружено, что скорость имеет линейную зависимость от парциального давления воды.
Энергия активации реакции вода — B₄C составляла 11 ккал/моль, в то время как для реакции воздух — B₄C она составляла 45 ккал/моль.
Сухой воздух окисляется медленнее, чем водяной пар, прежде чем его концентрация достигнет 700 (при парциальном давлении воды 235 мм рт. ст.).
Механизм реакционно-связанного карбида бора
Окисление воздуха:
B₄C + 4O₂ → 2B₂O₃(l) + CO₂
Окисление воды:
B₄C + 8H₂O → 2B₂O(l) + CO₂ + 8H₂
B₄C + 6H₂O → 2B₂O (l) + C + 6h₂
Транспорт:
B2О3 + H2O → 2НВО2 (g)
Объяснение твердости
В атоме бора вокруг ядра вращаются пять электронов, из них три на наружной оболочке. Эти три электрона неравноценны: два составляют пару, а третий — неспаренный и потому особенно «буйный».
По законам квантовой механики неспаренный электрон всегда стремится найти себе пару — электрон с противоположно направленным спином, а найти ее он может только в другом атоме.
В результате образуются ковалентные связи, при которых электроны двух или нескольких атомов образуют общее электронное облако.
Ковалентная связь — самая прочная из всех видов химической связи. В полимерных молекулах так связаны все атомы «скелета», и поэтому так трудно разрушить связи в полимере.
А поскольку в кристалле бора атомы оказываются связаны именно такой связью, то любой кристаллик бора можно рассматривать как молекулу полимера, неорганического полимера.
Карбид бора — это полимер.
Правильнее его формулу писать не В4С, а (В12С3)n. Элементарная ячейка таких кристаллов — ромбоэдрическая, ее каркас образуют 12 прочных, компактных (и ковалентно связанных) атомов бора.
Внутри этого каркаса располагается линейная группа из трех связанных между собой атомов углерода. Ковалентные связи возникают также между «хозяевами» и «гостями».
В результате получается настолько прочная конструкция, что ее очень трудно разрушить любыми воздействиями. Поэтому карбид бора и тверд, и прочен, и химически неуязвим, и термически стоек.
Бориды
Подобным образом построены и кристаллы многих боридов, причем ковалентной связью иногда соединяются атомы бора с металлами.
Самый термостойкий из всех боридов — диборид гафния HfВ2, который плавится только при 3250° С.
«Рекордист» по химической стойкости — диборид тантала ТаВ2. На него не действуют никакие кислоты, даже кипящая царская водка.
Боразол
Характерно, что сочетание элементов № 5 и 7, по существу, дублирует элемент № 6. Известно вещество боразол — B3N3H6, которое не случайно иногда называют неорганическим бензолом.
У бензола и боразола почти идентичное строение, близкие физические и химические свойства (правда, в большинстве реакций боразол ведет себя активнее бензола), причем не только у самих веществ, но и у аналогичных их производных.
Боразон
BN — таков состав вещества, которое иногда называют белым графитом. Его получают, прокаливая технический бор или окись бора в атмосфере аммиака.
Это белый, похожий на тальк порошок, но сходство с тальком чисто внешнее, намного больше и глубже сходство аморфного нитрида бора с графитом.
Одинаково построены кристаллические решетки, оба вещества с успехом применяют в качестве твердой высокотемпературной смазки.
После того как в условиях сверхвысоких давлений и высоки температур удалось перестроить кристаллическую решетку графита и получить искусственные алмазы, подобную операцию провели и с белым графитом.
Условия опыта, в котором это удалось сделать, были такими: температура 1350 °С, давление 62 тыс. атм.
Из автоклава вынули неопределенного цвета кристаллы, внешне совершенно непривлекательные.
Но эти кристаллы царапали алмаз. Правда, и он не оставался в долгу и оставлял царапины на кристаллах нитрида бора.
Это вещество назвали боразоном. Хотя твердость алмаза и боразона одинакова, последний имеет два очень значимых для техники преимущества.
1. Боразон более термостоек: он разлагается при температуре выше 2000 ºС, алмаз же загорается при 700-800° С.
2. Боразон лучше, чем алмаз, противостоит действию ударных нагрузок — он не столь хрупок.
Применение
Используется в качестве баллистической брони в сочетании с другими материалами (включая бронежилеты).
Сочетание высокой твердости материала, высокого модуля упругости и низкой плотности обеспечивает ему исключительную останавливающую способность против высокоскоростных снарядов.
Сопла для дробеструйной обработки песка
Из-за своей высокой износостойкости карбид бора используется в качестве форсунок для перекачки шлама, пескоструйных форсунок и водоструйных резаков.
Форсунки для струйной резки воды высокого давления
Покрытия, устойчивые к царапинам и износу
Режущие инструменты и штамповка.
Интересный факт: Противоракетная броня для личного состава и транспортных средств.
Абразив — это порошок, используемый для полировки и притирки, а также сыпучий абразив при резке, такой как гидроабразивная резка, из-за его высокой твердости.
Он также полезен для полировки алмазных инструментов.
Поглотитель нейтронов в ядерных реакторах: Способность материала поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклидов делает его привлекательным в качестве поглотителя нейтронов на атомных электростанциях.
Используется в ядерных установках, таких как изоляция, стержни управления и гранулы для отключения.
Часто задаваемые вопросы и ответы?
Для изготовления шлифовальных и абразивных материалов, химической посуды, защитных пластин для бронежилетов, в электронике и ядерной промышленности
Материал называется кингсонгитом, боразоном или эльбором, а также обладает уникальными твердыми качествами, успешно используемыми в современной промышленности.
Бинарное соединение бора с углеродом, имеющее формулу B4C (В12С3). При нормальных условиях — чёрные кристаллы. Впервые получен в 1893 г. А.Муассаном путём восстановления оксида бора В2О3 углеродом при 2000 °C.