stringtranslate.com

Карбид бора

Карбид бора (химическая формула примерно B 4 C) представляет собой чрезвычайно твердую бор - углеродную керамику , ковалентный материал, используемый в танковой броне , бронежилетах , диверсионных порохах для двигателей [2] , а также в многочисленных промышленных применениях. Имея твердость по Виккерсу >30 ГПа, это один из самых твердых известных материалов после кубического нитрида бора и алмаза . [3]

История

Карбид бора был открыт в XIX веке как побочный продукт реакций с участием боридов металлов, но его химическая формула была неизвестна. Лишь в 1930-х годах химический состав был оценен как B 4 C. [4] Остались споры относительно того, имел ли материал эту точную стехиометрию 4: 1 , поскольку на практике материал всегда имеет небольшой дефицит углерода с Что касается этой формулы, то рентгеновская кристаллография показывает, что ее структура очень сложна, со смесью цепей CBC и икосаэдров B 12 .

Эти особенности противоречили очень простой точной эмпирической формуле B 4 C. [5] Из-за структурной единицы В 12 химическую формулу «идеального» карбида бора часто записывают не как В 4 С, а как В 12 С 3 , а дефицит углерода в карбиде бора описывают сочетанием агрегаты B 12 C 3 и B 12 CBC.

Кристальная структура

Элементарная ячейка B 4 C. Зеленая сфера и икосаэдры состоят из атомов бора, а черные сферы – атомов углерода. [6]
Фрагмент кристаллической структуры B 4 C.

Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, типичную для боридов на основе икосаэдра . Там икосаэдры B 12 образуют ромбоэдрическую единицу решетки (пространственная группа: R 3 m (№ 166), постоянные решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм), окружающую цепь CBC, находящуюся в центре элементарной ячейки , и оба атома углерода соединяют три соседних икосаэдра. Эта структура является слоистой: икосаэдры B 12 и мостиковые атомы углерода образуют плоскость сетки, которая распространяется параллельно плоскости c и укладывается вдоль оси c . Решетка имеет две основные структурные единицы — икосаэдр B 12 и октаэдр B 6 . Из-за небольшого размера октаэдров B 6 они не могут соединяться между собой. Вместо этого они связываются с икосаэдрами B 12 в соседнем слое, и это снижает прочность связи в c -плоскости. [6]

Из-за структурной единицы B 12 химическую формулу «идеального» карбида бора часто записывают не как B 4 C, а как B 12 C 3 , а дефицит углерода карбида бора описывают через комбинацию B 12 С 3 и В 12 С 2 ед. [5] [7] Некоторые исследования указывают на возможность включения одного или нескольких атомов углерода в икосаэдры бора, что приводит к появлению таких формул, как (B 11 C)CBC = B 4 C на тяжелом углеродном конце стехиометрии, но такие формулы, как B 12 (CBB) = B 14 C на конце, богатом бором. Таким образом, «карбид бора» представляет собой не одно соединение, а семейство соединений различного состава. Обычным промежуточным соединением, которое приближается к обычно встречающемуся соотношению элементов, является B 12 (CBC) = B 6,5 C. [8] Квантово-механические расчеты показали, что конфигурационный беспорядок между атомами бора и углерода в различных положениях в кристалле определяет некоторые из свойства материалов – в частности, кристаллическая симметрия композиции B 4 C [9] и неметаллический электрический характер композиции B 13 C 2 . [10]

Характеристики

Карбид бора известен как прочный материал, обладающий чрезвычайно высокой твердостью (от 9,5 до 9,75 по шкале Мооса ), высоким поперечным сечением поглощения нейтронов (т.е. хорошими экранирующими свойствами против нейтронов), устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химических веществ. [11] Его твердость по Виккерсу (38 ГПа), модуль упругости (460 ГПа) [12] и вязкость разрушения (3,5 МПа·м 1/2 ) приближаются к соответствующим значениям для алмаза (1150 ГПа и 5,3 МПа·м 1/2 ). . [13]

По состоянию на 2015 год карбид бора является третьим по твердости известным веществом после алмаза и кубического нитрида бора , за что получил прозвище «черный алмаз». [14] [15]

Полупроводниковые свойства

Карбид бора — полупроводник , в электронных свойствах которого преобладает транспорт прыжкового типа. [8] Ширина запрещенной зоны зависит от состава, а также от степени порядка. Ширина запрещенной зоны оценивается в 2,09 эВ, причем несколько состояний в середине запрещенной зоны усложняют спектр фотолюминесценции . [8] Обычно это материал p-типа.

Подготовка

Карбид бора был впервые синтезирован Анри Муассаном в 1899 году [7] путем восстановления триоксида бора углеродом или магнием в присутствии углерода в электродуговой печи . В случае углерода реакция протекает при температуре выше температуры плавления B 4 C и сопровождается выделением большого количества окиси углерода : [16]

2 Б 2 О 3 + 7 С → В 4 С + 6 СО

Если используется магний, реакцию можно проводить в графитовом тигле , а побочные продукты магния удаляют обработкой кислотой. [17]

Пластик с пропиткой из карбида бора, используемый в качестве защиты в нейтронных экспериментах в Научно-исследовательском институте атомной энергии , Великобритания.

Приложения

Карбид бора используется для изготовления внутренних пластин баллистических жилетов.

По своей твердости:

Для других объектов недвижимости:

Ядерные применения

Способность карбида бора поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклидов делает его привлекательным в качестве поглотителя нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях [18] и от противопехотных нейтронных бомб . Ядерные применения карбида бора включают защиту. [11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . п. 4.52. ISBN 9781498754293.
  2. ^ Грей, Теодор (3 апреля 2012 г.). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной. Издательство Black Dog & Leventhal. ISBN 9781579128951. Проверено 6 мая 2014 г.
  3. ^ «Рутгерс работает над бронежилетом» . Эсбери Парк Пресс . Эсбери-Парк, Нью-Джерси, 11 августа 2012 г. Проверено 12 августа 2012 г. ... карбид бора является третьим по твердости материалом на Земле.
  4. ^ Риджуэй, Рамон Р. «Карбид бора», европейский патент CA339873 (A), дата публикации: 6 марта 1934 г.
  5. ^ аб Балакришнараджан, Мусири М.; Панчаратна, Паттат Д.; Хоффманн, Роальд (2007). «Структура и связь в карбиде бора: непобедимость дефектов». Нью Дж. Хим . 31 (4): 473. doi : 10.1039/b618493f.
  6. ^ ab Чжан FX, Сюй FF, Мори Т, Лю QL, Сато А, Танака Т (2001). «Кристаллическая структура новых твердых тел редкоземельных металлов, богатых бором: REB28.5C4». J. Сплавы . 329 (1–2): 168–172. doi : 10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
  7. ^ аб Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 149. ИСБН 978-0-08-037941-8.
  8. ^ abc Домнич, Владислав; Рейно, Сара; Хабер, Ричард А.; Чховалла, Маниш (2011). «Карбид бора: структура, свойства и стабильность под напряжением» (PDF) . Варенье. Керам. Соц . 94 (11): 3605–3628. дои : 10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x. Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2014 года . Проверено 23 июля 2015 г.
  9. ^ Эктаравонг, А.; Саймак, С.И.; Хультман, Л.; Берч, Дж.; Аллинг, Б. (2014). «Первопринципное исследование конфигурационного беспорядка в B 4 C с использованием метода квазислучайной структуры, специально разработанного для суператома». Физ. Преподобный Б. 90 (2): 024204. arXiv : 1508.07786 . Бибкод : 2014PhRvB..90b4204E. doi :10.1103/PhysRevB.90.024204. S2CID  39400050.
  10. ^ Эктаравонг, А.; Саймак, С.И.; Хультман, Л.; Берч, Дж.; Аллинг, Б. (2015). «Конфигурационный переход порядок-беспорядок, индуцированный переходом металл-неметалл в B 13 C 2, изучен с помощью первопринципного метода квазислучайной структуры суператома». Физ. Преподобный Б. 92 (1): 014202. arXiv : 1508.07848 . Бибкод : 2015PhRvB..92a4202E. doi : 10.1103/PhysRevB.92.014202. S2CID  11805838.
  11. ^ аб Веймер, с. 330
  12. ^ Сайрам, К.; Сонбер, Дж. К.; Мурти, ЦРЧ.; Субраманиан, К.; Хубли, РЦ; Сури, АК (2012). «Разработка композитов B4C-HfB2 методом реакционного горячего прессования». Международный Дж. Ссылка. Встретил. Жесткий Матер . 35 : 32–40. doi :10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004.
  13. ^ Соложенко, В.Л.; Куракевич Александр О.; Ле Годек, Янн; Мезуар, Мохамед; Мезуар, Мохамед (2009). «Предельная метастабильная растворимость бора в алмазе: синтез сверхтвердого алмазоподобного BC5» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 102 (1): 015506. Бибкод : 2009PhRvL.102a5506S. doi :10.1103/PhysRevLett.102.015506. ПМИД  19257210.
  14. ^ «Карбид бора». Прецизионная керамика. Архивировано из оригинала 20 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  15. ^ А. Сохансандж; А. М. Хадиан (2012). «Очистка наноразмерного порошка карбида бора, измельченного истиранием». Международный журнал современной физики: серия конференций . 5 : 94–101. Бибкод : 2012IJMPS...5...94S. дои : 10.1142/S2010194512001894.
  16. ^ Веймер, с. 131
  17. ^ Патнаик, Прадьот (2002). Справочник неорганических химикатов . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049439-8 
  18. ^ Изготовление и оценка топливных элементов из урана-глинозема и выгорающих отравляющих элементов из карбида бора , Висный, Л.Г. и Тейлор, К.М., в «Специальной технической публикации ASTM № 276: Материалы для ядерных применений», сотрудники Комитета E-10, Американское общество по Материалы для испытаний , 1959 год.

Библиография

Внешние ссылки