Википедија

Бор карбид

хемиско соединение

Бор карбид (хемиска формула приближно B4C) е екстремно тврда борно - јаглеродна керамика, ковалентен материјал кој се користи во оклопот на тенковите, панцирните елеци, пудрата за саботажа на моторот,[1] како и бројни индустриски примени. Со Викерсова тврдост од >30 GPa, тој е еден од најтврдите познати материјали, зад кубен бор нитрид и дијамант.[2]

Историја

уреди

Бор карбид е откриен во XIX век како нуспроизвод на реакции кои вклучуваат метални бориди, но неговата хемиска формула била непозната. Дури во 1930-тите хемискиот состав бил проценет како B4C.[3] Останаа контроверзи за тоа дали материјалот имал точно 4:1 стехиометрија или не, бидејќи во пракса материјалот секогаш има малку јаглерод недостаток во однос на оваа формула, а рендгенската кристалографија покажува дека неговата структура е многу сложена, со мешавина од CBC синџири и B 12 икозаедрон.

Овие одлики се спротивставени на многу едноставната емпириска формула B4C.[4] Поради структурната единица B12, хемиската формула на „идеалниот“ бор карбид често се пишува не како B4C, туку како B12C3, а јаглеродниот дефицит на бор карбид е опишан во смисла на комбинација на B12C3 и B12 CBC единици.

Кристална структура

уреди
 
Единечна ќелија на B 4 C. Зелената сфера и икозаедрите се состојат од атоми на бор, а црните сфери се јаглеродни атоми.[5]
 
Фрагмент од кристалната структура B 4 C.

Бор карбид има сложена кристална структура типична за боридовите базирани на икозаедрон. Таму, икозаедрите B12 формираат ромбоедрална решетка (просторна група: R 3 m (бр. 166), константи на решетка: a = 0,56 nm и c = 1,212 nm) опкружува CBC синџир што се наоѓа во центарот на единечната клетка, и двата јаглеродни атоми ги премостуваат соседните три икозаедри. Оваа структура е слоевита: икозаедрите B12 и јаглеродите кои се премостуваат формираат мрежна рамнина која се шири паралелно со c -рамнината и се натрупува по должината на c -оската. Решетката има две основни структурни единици - икозаедронот B12 и октаедарот B6. Поради малата големина на октаедрите B6, тие не можат меѓусебно да се поврзат. Наместо тоа, тие се врзуваат за B12икозаедрите во соседниот слој, и тоа ја намалува јачината на сврзување во рамнината c.[5]

Поради структурната единица B12, хемиската формула на „идеалниот“ бор карбид често се пишува не како B4C, туку како B12C3, а јаглеродниот дефицит на бор карбид е опишан во смисла на комбинација на B12C3 и B12C2 единици.[4] Некои студии укажуваат на можноста за инкорпорирање на еден или повеќе јаглеродни атоми во икосаедрите на бор, што доведува до формули како што се (B11C) CBC = B4C на јаглерод-тешкиот крај на стехиометријата, но формули како што се B12 (CBB) = B14C на крајот богат со бор. Според тоа, „борниот карбид“ не е едно соединение, туку фамилија на соединенија со различен состав. Вообичаен меѓупроизвод, кој приближува на вообичаено пронајдениот сооднос на елементи, е B12 (CBC) = B6,5C.[6] Квантните механички пресметки покажаа дека конфигурациското нарушување помеѓу атомите на бор и јаглерод на различните позиции во кристалот одредува неколку својства на материјалот - особено, кристалната симетрија на составот B4C [7] и неметалниот електричен карактер на составот B13C2.[8]

Својства

уреди

Бор карбидот е познат како робустен материјал кој има исклучително висока цврстина (околу 9,5 до 9,75 на скалата на тврдоста на Мохс ), висок пресек за апсорпција на неутрони (т.е. добри заштитни својства од неутрони), стабилност на јонизирачко зрачење и повеќето хемикалии.[9] Неговата цврстина на Викерс (38 GPa), модул на еластичност (460 GPa) [10] и цврстина на фрактура (3,5 MPa·m 1/2 ) се приближуваат до соодветните вредности за дијамантот (1150 GPa и 5,3 MPa·m 1/2 ).[11]

Од 2015 , Бор карбидот е третиот најтврд елемент познат после дијамантот и кубен бор нитрид,добивајќи го прекарот "црн дијамант".[12][13]

Полупроводнички својства

уреди

Бор карбид е полупроводник, со електронски својства доминирани од транспорт од типот на скокање.[6] Енергетскиот јаз зависи од составот, како и од степенот на редослед. Јазот на опсегот е проценет на 2,09 eV, со повеќе состојби на среден опсег што го комплицираат спектарот на фотолуминисценција.[6] Материјалот е типично p-тип.

Подготовка

уреди

Бор карбид првпат бил синтетизиран од Анри Моасан во 1899 година, со редукција на бор триоксид или со јаглерод или со магнезиум во присуство на јаглерод во печка со електричен лак . Во случај на јаглерод, реакцијата се јавува на температури над точката на топење на B4C и е придружена со ослободување на голема количина на јаглерод моноксид :[14]

2B2O3 + 7C → B4C + 6CO

Ако се користи магнезиум, реакцијата може да се изведе во графитна садница, а нуспроизводите од магнезиум се отстрануваат со третман со киселина.[15]

Апликации

уреди
 
Пластика вградена со бор карбид што се користи како заштита во неутронските експерименти во Истражувачкиот центар за атомска енергија, ОК
 
Бор карбид се користи за внатрешни плочи на балистички елеци

За неговата цврстина :

  • Катанци
  • Лична и антибалистичка оклопна облога на возила
  • Млазници за минирање на шкрилец
  • Млазници за сечење воден млаз под висок притисок
  • Облоги отпорни на гребење и абење
  • Алати за сечење и матрици
  • Абразиви
  • Композити од метална матрица
  • Во облогите на сопирачките на возилата

За други својства

  • Апсорбер на неутрони во јадрени реактори (види подолу)
  • Високо-енергетско гориво за мотор на набоен млаз со цврсто гориво

Јадрени апликации

уреди

Способноста на борниот карбид да апсорбира неутрони без да формира долготрајни радионуклиди го прави атрактивен како абсорбент за неутронското зрачење што произлегува во атомските централи [16] и од противпешадиски неутронски бомби . Јадрените апликации на бор карбид вклучуваат заштита.[9]

Наводи

уреди
  1. ↑ Gray, Theodore (2012-04-03). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 9781579128951. Посетено на 6 May 2014.
  2. ↑ „Rutgers working on body armor“. Asbury Park Press. Asbury Park, N.J. August 11, 2012. Посетено на 2012-08-12. ... boron carbide is the third-hardest material on earth.
  3. ↑ Ridgway, Ramond R "Boron Carbide" Архивирано на 4 април 2009 г., European Patent CA339873 (A), publication date: 1934-03-06
  4. ↑ 4,0 4,1 Balakrishnarajan, Musiri M.; Pancharatna, Pattath D.; Hoffmann, Roald (2007). „Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections“. New J. Chem. 31 (4): 473. doi:10.1039/b618493f.
  5. ↑ 5,0 5,1 „Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4“. J. Alloys Compd. 329 (1–2): 168–172. 2001. doi:10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Domnich, Vladislav; Reynaud, Sara; Haber, Richard A.; Chhowalla, Manish (2011). „Boron Carbide: Structure, Properties, and Stability under Stress“ (PDF). J. Am. Ceram. Soc. 94 (11): 3605–3628. doi:10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x. Архивирано од изворникот (PDF) на 27 December 2014. Посетено на 23 July 2015.
  7. ↑ Ektarawong, A.; Simak, S. I.; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2014). „First-principles study of configurational disorder in B4C using a superatom-special quasirandom structure method“. Phys. Rev. B. 90 (2): 024204. arXiv:1508.07786. Bibcode:2014PhRvB..90b4204E. doi:10.1103/PhysRevB.90.024204.
  8. ↑ Ektarawong, A.; Simak, S. I.; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2015). „Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B13C2 studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method“. Phys. Rev. B. 92 (1): 014202. arXiv:1508.07848. Bibcode:2015PhRvB..92a4202E. doi:10.1103/PhysRevB.92.014202.
  9. ↑ 9,0 9,1 Weimer, p. 330
  10. ↑ Sairam, K.; Sonber, J.K.; Murthy, T.S.R.Ch.; Subramanian, C.; Hubli, R.C.; Suri, A.K. (2012). „Development of B4C-HfB2 composites by reaction hot pressing“. Int.J. Ref. Met. Hard Mater. 35: 32–40. doi:10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004.
  11. ↑ Solozhenko, V. L.; Kurakevych, Oleksandr O.; Le Godec, Yann; Mezouar, Mohamed; Mezouar, Mohamed (2009). „Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5“ (PDF). Phys. Rev. Lett. 102 (1): 015506. Bibcode:2009PhRvL.102a5506S. doi:10.1103/PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210.
  12. ↑ „Boron Carbide“. Precision Ceramics. Архивирано од изворникот на 2015-06-20. Посетено на 2015-06-20.
  13. ↑ A. Sokhansanj; A.M. Hadian (2012). „Purification of Attrition Milled Nano-size Boron Carbide Powder“. 2nd International Conference on Ultrafine Grained & Nanostructured Materials (UFGNSM). International Journal of Modern Physics: Conference Series. 5: 94–101. Bibcode:2012IJMPS...5...94S. doi:10.1142/S2010194512001894.
  14. ↑ Weimer, p. 131
  15. ↑ Patnaik, Pradyot (2002).
  16. ↑ Fabrication and Evaluation of Urania-Alumina Fuel Elements and Boron Carbide Burnable Poison Elements, Wisnyi, L. G. and Taylor, K.M., in "ASTM Special Technical Publication No. 276: Materials in Nuclear Applications", Committee E-10 Staff, American Society for Testing Materials, 1959

Библиографија

уреди

Надворешни врски

уреди
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Бор_карбид&oldid=5278213“