Основні властивості карбіду Бору

1.2.1 Кристалічна структура

Коли Джолі у 1883 році синтезував цей карбід, він вважав, що ця речовина має стехіометричний склад В₃С. У 1894 році Муассан визначив його як В₆С. І тільки в 1934 було доведено, що стехіометричний склад карбід Бору – В₄С [19].

Карбід Бору має ромбоедричну кристалічну структуру, гратка належить до просторової групі R m, параметри комірки a=5,1705Å і α=65,683°, в гексагональній гратці a=5,600 Å і c=12,086Å.

Дані про структуру карбіду Бору вперше були отримані методом рентгеноструктурного аналізу (РСА) Г.С. Ждановим у 1941 році [20] і Кларком у 1943 році [21]. Автори обох робіт показали, що до складу структури входить ікосаедр складу В12 і лінійна група C-C-C [20] або C-B-C [21]. Пізніше, зіставлення даних про фізико-хімічні властивості карбіду Бору з результатами структурних і спектральних досліджень, дозволило встановити, що карбід Бору є фазою змінного складу за вмістом вуглецю (σ), який може змінюватися від 9 до 20 ат.%, що відповідає складам B10 .5C-B4.0C [22,23]. Діаграма стану B-C наведена на рисунку 2.

Рисунок 2. Діаграма стану системи B-C [24]

На рисунку 3 показана структура карбіду Бору, яка складається з 12-ти атомних ікосаедрів і триатомних лінійних груп. Ікосаедри пов'язані ковалентними зв'язками як безпосередньо, так і через лінійні групи. Широка область гомогенності карбіду Бору обумовлена ​​можливістю заміни атомів Бору на атоми Карбону як в ікосаедрах, так і в лінійних групах. Структурна одиниця карбіду Бору (ікосаедр і лінійна група) містить 15 атомів, серед яких є кілька позицій для розташування атомів вуглецю (виходячи з підтвердженого спектральними даними [25-27] відсутності зв'язків C-C). Заміна бору в ланцюгах або на міжвузлях призводить до широкого діапазон однорідності у твердому стані (8,8 до 20 mol% С) [3].

Вважається, що найбільш ймовірна структура B₄C має ікосаедри складу В₁₁С і лінійні групи C-B-C [22,23].

Рисунок 3. Кристалічна структура карбіду Бору

1.2.2 Фізичні властивості

Температура плавлення карбіду Бору становить близько 2450°С, температура кипіння – 3500 °С.

Густина карбіду бору лінійно збільшується з вмістом вуглецю в межах області гомогенності фази. Виміряна густина B₄C становить 2,52 г/см³ [22].

Коефіцієнт теплового розширення карбіду Бору становить α=5,73 ·10^-6 K^-1 (300-1970K) [40].

Карбід Бору – напівпровідник p-типу у всій області гомогенності, властивості якого помітно змінюються не лише від вмісту домішок, але також і від способу отримання, термічної обробки і відхилення складу від стехіометрії.

Карбід Бору має хорошу здатність поглинати нейтрони у великій кількості без утворення радіоактивних ізотопів.

Теплопровідність карбіду Бору при 100°С становить 67-121 Вт/м·К, а питомий електроопір за температури 20°С сягає 10¹⁴ Ом·м.

1.2.3 Хімічні властивості

Карбід Бору – вогнетривкий і хімічно інертний карбід. Він не піддається дії мінеральних кислот і основ, але розчиняється в лугах [22,23,42]. За температур, які перевищуть 1000 °C він реагує з хлором і з багатьма металами та їх оксидами, утворюючи бориди і чадний газ(СО). Алюміній і силіцій утворюють сполуки заміщення з карбідом Бору [40].

Мікропорошок карбіду бору не взаємодіє з сіркою, азотом і фосфором до 1250 °С, він не розчиняється у воді і концентрованих кислотах, а на повітрі не окислюється, поки температура не досягає 600 °С. Розкладанню карбід бору піддається тільки в киплячих розчинах лугів.

Окиснення пресованих на гарячо зразків в кисневі починається при 600°C і призводить до утворення тонкої прозорої плівки B₂O₃, вище 1200°C відбувається інтенсивне окиснення карбіду Бору.

1.2.4 Механічні властивості

Модуль Юнга становить 320-480 ГПа, модуль зсуву – 130-200 ГПа, значення модулів збільшуються зі збільшенням вмісту вуглецю.

Границя міцності карбіду Бору при згині становить 300-500 МПа, границя міцності на стиск – 2600 МПа.

Карбід бору є одним із найтвердіших матеріалів (третій після алмазу і кубічного BN), значення його твердості H_V ≈ 35 Гпа [22]. Зберігає свою твердість при високих температурах, що дозволяє використовувати його при температурах до 2000°C [4,5]. Мікротвердість лінійно збільшується зі змістом вуглецю в області гомогенності фази. У наявності вільного карбону твердість карбіду Бору зменшується [40].

Коефіцієнт інтенсивності напруження K_1C становить 3,0-4,0 МПа·м^1/2.

Застосування

Інтерес до карбіду Бору обумовлений тим, що він має ряд корисних фізико-хімічних властивостей, завдяки яким він має найрізноманітніші галузі застосування.

Ядерна промисловість. Маючи хорошу хімічну інертність і високу жаростійкість карбід Бору широко застосовувається в ядерних реакторах. Він може поглинати велику кількість нейтронів без утворення радіоактивних ізотопів, і тому на АЕС він використовується як поглинач нейтронів. Карбід бору також використовують у водоохолоджувальних реакторах, реакторах на швидких нейтронах як контрольні стрижні нейтронного захисту.

Обробна промисловість.Так як карбід Бору є твердим, зносостійким матеріалом він використовується як крупнозернистий абразив. Використовується для обробки дорогоцінного каміння та інших твердих матеріалів, шліфування, свердління і полірування. Оскільки він має високу температуру плавлення, то його використовують у вигляді порошку, і він може бути оброблений в простій формі.

Високотверді зносостійкі вироби з компактних матеріалів на основі карбіду бору використовують у виробництві інструментів: з них виготовляють сопла піскоструминних апаратів, бруски для правки шліфувальних кругів, матриці для видавлювання абразивних стрижнів, індентори для вимірювання твердості і т.д.

Електроніка. Карбід бору є високотемпературним напівпровідником, тому він представляє значний інтерес як матеріал для електродів термопар і термоелектричних генераторів. Термопари з термоелектронами з неметалічних матеріалів розробляються, головним чином, для роботи при високих температурах в різних агресивних середовищах, де металеві електроди руйнуються. Також карбід Бору застосовується як термо- і електроізоляційний матеріал і матеріал для пристроїв в мікроелектроніці.

Хіміко-термічна обробка. Порошки карбіду бору, активовані фторидами (або іншими галогенідами), використовуються для дифузійного борування сталей. При цьому утворюється тонкий шар Fe₂B, що має високу твердість і зносостійкість.

Використовується карбід бору як компонент лазерного легування, який забезпечує підвищення зносотривкості та поверхневої міцності сплавів. Особливо ефективний при використанні для лазерного легування титанових сплавів.

Порошкова металургія.Карбід Бору також використовується для виготовлення керамічних матеріалів методом порошкової металургії.

Способи відноситься до отримання особливо твердих, зносостійких керамічних матеріалів на основі карбіду бору з високою міцністю.

Спосіб полягає в перемішуванні порошків карбіду бору і евтектичною добавки, що містить карбід титану і диборид титану при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: В4С 50 - 99, TiB2 0,6 - 30, TiC 0,4 - 20, гарячому пресуванні при температурі 1800 - 2100oC, питомому тиску пресування 200 - 300 кгс / мм2 протягом 5 - 60 хв. Використовуються порошки вихідних компонентів з розмірами основної маси часток не більше 10 мкм. Евтектичну добавку отримують методом високотемпературного синтезу, механічною або термічної активацією. Спосіб дозволяє спростити виготовлення матеріалу при збереженні високої щільності. Мікротвердість матеріалу В4С - TiB2 - TiC 5100 - 6500 кгс / мм2, відносна щільність 99%, міцність на вигин 21 -28 кгс / мм2. 5 з.п.ф-ли, 1 табл.Один із способів полягає в перемішуванні порошків карбіду бору і евтектичною добавки, що містить карбід титану і диборид титану при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: В₄С 50 - 99, TiB₂ 0,6 - 30, TiC 0,4 - 20, гарячому пресуванні при температурі 1800-2100^oC, питомому тиску пресування 200-300 кгс / мм² протягом 5-60 хв. Використовуються порошки вихідних компонентів з розмірами основної маси часток не більше 10 мкм. Евтектичну добавку отримують методом високотемпературного синтезу, механічною або термічної активацією. Спосіб дозволяє спростити виготовлення матеріалу при збереженні високої щільності. Мікротвердість матеріалу В4С - TiB2 - TiC 5100 - 6500 кгс / мм2, відносна щільність 99%, міцність на вигин 21 -28 кгс / мм2. 5 з.п.ф-ли, 1 табл.

Розділ 2