Einführung und Anwendung von Borcarbid

Englischer Name: Borcarbid

Synonyme: B4-C, B4C, schwarzer Diamant, Tetraborcarbid

CAS-Nummer: 12069-32-8

BINECS-Nummer: 235-111-5

RTECS-Nummer: ED7420000

Sicherheitsdatenblatt: Externes Sicherheitsdatenblatt

Chemische Formel: B4C

Relatives Molekulargewicht: 55,26

Aussehen: Schwarzes Pulver

Dichte: 2,52 g/cm³ (fest)

Schmelzpunkt: 2450 °C

Siedepunkt: 3500 °C

Kristallstruktur: rhombisches Hexaeder

Mohshärte: 9,36

Mikrohärte: 4950 kgf/mm²

Wasserlöslichkeit: unlöslich

Physikalische Eigenschaften und physikalisch-chemische Konstanten von Borcarbid: Borcarbid wird durch Hochtemperaturschmelzen von Borsäure und Kohlenstoffmaterialien in einem Elektroofen hergestellt. Es besitzt eine theoretische Dichte von 2,52 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 2450 °C, eine Mikrohärte von 4950 kgf/mm² und eine Mohs-Härte von 9,3. Seine Härte wird nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen. Borcarbid zeichnet sich durch Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, Säure- und Laugenbeständigkeit, hohe Festigkeit, gute chemische Stabilität und geringe Dichte aus, was zu seinen vielfältigen Anwendungen in zahlreichen neuen Materialbereichen führt.

Hauptanwendungsgebiete und Eigenschaften von Borcarbid: (1) Anwendung in der Verteidigungsindustrie: Borcarbid wird zur Herstellung ballistischer Materialien verwendet, wie z. B. kugelsichere Platten in kugelsicheren Westen. KeramikkugelEs findet Verwendung in Panzerfliesen in Pilotencockpits von Militärflugzeugen sowie in ballistischen Keramikplatten moderner gepanzerter Mannschaftstransportwagen und Panzer. In der Rüstungsindustrie wird es zur Herstellung von Düsen für Gewehre und Kanonen eingesetzt. Aktuell wird es in der Industrie verwendet.₂DER₃Antiballistische Keramiken auf Al₂O₃-Basis wurden in den Projekten „502“ und „212“ eingesetzt. Bei der Verwendung von Al₂O₃-basierten Keramikverbundpanzerungen an den Seiten von gepanzerten Fahrzeugen ist die Gewichtsreduzierung jedoch nicht signifikant. Im Gegensatz dazu bietet die Verwendung von Hochleistungs-Bor-Keramik eine deutliche Verbesserung. Hartmetallkeramik Verbundpanzerung gleicher Dicke kann das Gewicht um 15 bis 20 % reduzieren und gleichzeitig die ballistische Leistung weiter verbessern. Daher besteht ein dringender Bedarf an leistungsstarken und kostengünstigen ballistischen Borcarbid-Keramiken für die Entwicklung von Verbundpanzerungen für wichtige Ausrüstungsteile. Die Entwicklung und Anwendung solcher Werkstoffe kann die Einsatzfähigkeit entsprechender Waffensysteme deutlich steigern und bietet erhebliche militärische und wirtschaftliche Vorteile. Zu den Anwendungsbereichen von ballistischen Borcarbid-Keramiken zählen: die Entwicklung wichtiger Ausrüstungsteile, zukünftige Kampfpanzer, Schützenpanzer, Absetzfahrzeuge und andere leichte Panzerfahrzeuge sowie der Schutz der Unterseite von Kampfhubschraubern und der Aufbauten von Booten.

(2) Anwendung in der Nuklearindustrie: Borcarbid wird zur Herstellung von Steuerstäben, Regelstäben, Störlichtbogenstäben, Sicherheitsstäben und Abschirmstäben für Kernreaktoren verwendet. Es dient außerdem zur Produktion von Borcarbid-Kacheln, -Platten und Neutronenabsorbern (hergestellt mit hohem Borcarbidgehalt).₁₀ Borcarbid (in Pulverform) dient dem Strahlenschutz und kann Zement für den Bau von Reaktorschutzschichten beigemischt werden. Es ist nach den Brennelementen die zweitwichtigste Funktionskomponente. Eigenschaften: Borcarbid kann eine große Anzahl von Neutronen absorbieren, ohne radioaktive Isotope zu bilden. Dadurch ist es ein idealer Neutronenabsorber und ein Kernbestandteil von Kernreaktoren. Neutronenabsorber steuern primär die Kernspaltungsrate und werden zur Vergrößerung der Oberfläche in Pulverform hergestellt. Borcarbid zeichnet sich durch einen hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt, ein breites Absorptionsspektrum, einen niedrigen Preis, reichlich vorhandene Rohstoffquellen und eine minimale starke λ-Sekundärstrahlung nach der Neutronenabsorption aus, was die Entsorgung erleichtert. Daher ist Borcarbid ein wichtiges Neutronenabsorptionsmaterial.

(3) Anwendung im Bereich der Feuerfestmaterialien: Borcarbid wird als Antioxidationsmittel in kohlenstoffarmen Magnesium-Kohlenstoff-Steinen und Gießmassen eingesetzt. In der Stahlindustrie findet es Anwendung in kritischen Bereichen, die hohe Temperatur- und Erosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. Gießpfannen, Abstichrohre, Gleitplatten und Stopfen. Angesichts der Anforderungen der Stahlindustrie an Energieeinsparung und Ressourcenreduzierung sowie des Bedarfs an der Herstellung von kohlenstoffarmem und ultra-kohlenstoffarmem Stahl wächst das Interesse an der Forschung und Entwicklung von Hochleistungs-Magnesium-Kohlenstoff-Steinen (mit einem Kohlenstoffgehalt von in der Regel 4C weist hervorragende konventionelle physikalische Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit auf.

Eigenschaften: Borcarbid wirkt in kohlenstoffhaltigen Feuerfestmaterialien als Antioxidans, wodurch das Produkt verdichtet und die Oxidation des Kohlenstoffs in den kohlenstoffhaltigen Feuerfestmaterialien verhindert wird. Gleichzeitig finden Reaktionen bei Temperaturen zwischen 1000 °C und 1250 °C statt, die zu säulenförmigen Kristallstrukturen von (9Al) führen.₂DER₃•2B₂DER₃) die sich in der Matrix und den Zwischenräumen des feuerfesten Materials verteilen. Dieser Prozess reduziert die Porosität, erhöht die Festigkeit bei mittleren Temperaturen und das entstehende Kristallvolumen dehnt sich aus, wodurch Volumenschrumpfungen ausgeglichen und Risse reduziert werden.

(4) Für andere technische Keramikwerkstoffe: Borcarbid wird zur Herstellung von Düsen für Sandstrahlmaschinen, Düsen für Hochdruckwasserschneidmaschinen, Dichtungsringen, Keramikformen und für weitere Anwendungen verwendet. Eigenschaften: Borcarbiddüsen weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf und werden bekannte Hartmetalle (Wolframstahl) sowie Werkstoffe wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid zunehmend ersetzen. Darüber hinaus findet Borcarbid Anwendung in Verbundkeramiken: Borcarbid ist eine Verbindung mit sehr starken kovalenten Bindungen und geringer Plastizität. Es weist einen signifikanten Widerstand gegen die Korngrenzenbewegung auf, was die Herstellung dichter Sinterkörper erschwert. Abgesehen von einigen Sonderfällen, wie z. B. mikromorphen Borcarbid-Gasdynamiklagern und Borcarbidblöcken, die als Neutronenabsorber in Kernreaktoren eingesetzt werden, wird das Sinterverhalten von Borcarbid im Allgemeinen durch die Zugabe von Sinterhilfsmitteln verbessert, um kostengünstigere und praxistauglichere Borcarbidprodukte zu erhalten. Darüber hinaus ist die Zugabe einer signifikanten Menge Siliciumcarbid zu Borcarbid zur Herstellung von Verbundwerkstoffen ein effektives Mittel zur Steigerung der Sinterdichte. Siliciumcarbid selbst besitzt hervorragende mechanische und physikalische Eigenschaften, darunter hohe spezifische Festigkeit und spezifischer Elastizitätsmodul, gute Korrosionsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Dichte und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Darüber hinaus befindet sich Si im Periodensystem neben B und C, wodurch ihre Eigenschaften recht ähnlich sind. Gemäß dem Prinzip der ähnlichen Kompatibilität verbessert die Anwesenheit von SiC die Sinterdiffusion und fördert das Sintern von Borcarbid. Wissenschaftler, die das Sintern von Siliciumcarbidkeramiken untersuchen, haben festgestellt, dass die Zugabe einer geeigneten Menge Borcarbid zu Siliciumcarbid zu einem dichteren Sinterkörper führt. Somit ist ersichtlich, dass Borcarbid und Siliciumcarbid den Verdichtungsprozess während des Sinterns gegenseitig verstärken können.₄C-SiC-Verbundkeramiken können die Sinterbedingungen von Borcarbidkeramiken senken und gleichzeitig deren hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften erhalten.₄C-SiC-Keramiken gelten als hochtemperaturbeständige, korrosions- und verschleißfeste Werkstoffe mit breiten Anwendungsmöglichkeiten und finden bereits Verwendung in Industriedüsen, Pumpendichtungen und Heißextrusionsformen. In den letzten Jahrzehnten hat die rasante Entwicklung von Wissenschaft und Technik, insbesondere in der Elektronik, Raumfahrt und Computertechnik, den Bedarf an Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften deutlich erhöht. Spezialkeramiken, die reichlich vorhanden, kostengünstig und einfach herzustellen sind und viele einzigartige Eigenschaften aufweisen, haben sich etabliert und gelten als „Universalkeramiken“. Sie zählen zu den vielversprechendsten Werkstoffen des 21. Jahrhunderts. Borcarbid hat sich aufgrund seiner vielen hervorragenden Eigenschaften zu einem wichtigen Vertreter der Spezialkeramiken entwickelt. Viele Herausforderungen bei der Herstellung von Borcarbidpulver und dem Sintern von Borcarbidkeramiken konnten bereits erfolgreich bewältigt werden. Borcarbid wird aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften in der zukünftigen Werkstoffentwicklung zweifellos eine bedeutende Rolle spielen.

(5) Verwendung in allgemeinen Industriebereichen:

Borcarbid wird zur Herstellung hochwertiger, verschleißfester Schweißstäbe verwendet, um die Verschleißfestigkeit der Schweißoberfläche zu erhöhen. Es dient als Schleif- und Poliermaterial, als Strahlmittel beim Wasserschneiden und als Korrekturmaterial für Diamantschleifmittel. In der Schmuckindustrie wird es für hochpräzise Polier- und Schleifarbeiten eingesetzt. Eigenschaften: Borcarbid ist ein Feststoff, der härter als Siliciumcarbid oder Wolframcarbid ist und wurde schon vor langer Zeit als grobes Schleifmittel verwendet. Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes lässt es sich nicht leicht zu Gussteilen verarbeiten. Durch Schmelzen des Pulvers bei hohen Temperaturen kann es jedoch in einfache Formen gebracht und zum Schleifen, Polieren, Bohren und Bearbeiten von Hartmetall, Edelsteinen usw. verwendet werden.

(6) Elektrische Eigenschaften von Borcarbid-Anwendungen:

Das Borcarbid-Graphit-Thermoelement besteht aus einem Graphitrohr, einem Borcarbidstab und einer dazwischenliegenden Bornitrid-Buchse. Es kann in Inertgas und Vakuum bis zu Temperaturen von 2200 °C eingesetzt werden. Zwischen 600 und 2200 °C besteht ein guter linearer Zusammenhang zwischen der Potentialdifferenz und der Temperatur.

(7) Verwendung von Borcarbid als chemischer Rohstoff:

Borcarbidpulver wird durch Halogene aktiviert und dient als Borierungsmittel für Stahl und andere Legierungen. Es infiltriert die Stahloberfläche mit Bor und erzeugt so die Festigkeit und Verschleißfestigkeit dünner Eisenboridschichten. Borcarbid kann auch als nichtmetallischer Zusatzstoff für einige metallbasierte Reibmaterialien verwendet werden. Bei der Herstellung von Boridpulver mittels reduktiver chemischer Verfahren dient Borcarbid als Borquelle zur Produktion von TiB₂, ZrB₂, CrB₂ und anderen Pulvern. Dieses Verfahren wird als „Borcarbidverfahren“ bezeichnet.

(8) Borcarbid in Saphir-Wafern (LEDs):

Die starke Unterstützung und Förderung der LED-Industrie durch das Land in den letzten Jahren hat deren Entwicklung positiv beeinflusst und damit Unternehmen, die Saphirkristalle herstellen und verarbeiten, große Geschäftsmöglichkeiten eröffnet. Aufgrund der hohen Festigkeit und Härte von Saphirkristallen (Mohshärte 9) stellt die Bearbeitung eine große Herausforderung dar. Aus materialwissenschaftlicher und schleiftechnischer Sicht eignen sich künstliche Diamanten, Borcarbid und Siliziumdioxid am besten für die Bearbeitung und das Schleifen von Saphirkristallen. Künstliche Diamanten sind jedoch aufgrund ihrer hohen Härte (Mohshärte 10) beim Schleifen von Saphirwafern zu zerkratzen, was die Lichtdurchlässigkeit der Wafer beeinträchtigt und zudem teuer ist. Siliziumdioxid hingegen ist mit einer Mohshärte von 7 nicht ausreichend hart und bietet daher eine zu geringe Schleifkraft. Aus diesem Grund sind Borcarbid-Schleifmittel (Mohshärte 9,3) das ideale Material für die Bearbeitung und das Schleifen von Saphirkristallen. Borcarbid-Schleifmittel zeigen hervorragende Ergebnisse beim beidseitigen Schleifen von Saphirwafern sowie beim Dünnen und Polieren von epitaktischen LED-Wafern auf Saphirbasis. Einige führende Universitäten des Landes betreiben zudem intensive Forschung zu Borcarbid beim Schleifen von Saphirkristallen. Kurz gesagt: Mit der rasanten Entwicklung der LED-Industrie wird auch der Bedarf an Borcarbid rapide steigen.

Kurz gesagt, mit der Weiterentwicklung von Gesellschaft, Wissenschaft und Technologie werden die Anwendungsgebiete von Borcarbid kontinuierlich neu entdeckt und erweitert, und die Marktperspektiven werden sich deutlich verbessern.