Introduction et application du carbure de bore

Nom anglais : carbure de bore

Synonymes : B4-C, B4C, diamant noir, carbure de tétrabore

Numéro CAS : 12069-32-8

Numéro BINECS : 235-111-5

Numéro RTECS : ED7420000

FDS : Fiche de données de sécurité externe

Formule chimique : B4C

Poids moléculaire relatif : 55,26

Aspect : Poudre noire

Densité : 2,52 g/cm3 (solide)

Point de fusion : 2450 °C

Point d'ébullition : 3500 °C

Structure cristalline : hexaèdre rhombique

Dureté Mohs : 9,36

Microdureté : 4950 kgf/mm²

Solubilité dans l'eau : insoluble

Propriétés physiques et constantes physico-chimiques du carbure de bore : Le carbure de bore est produit par fusion à haute température d’acide borique et de matériaux carbonés dans un four électrique. Il possède une densité théorique de 2,52 g/cm³, un point de fusion de 2 450 °C, une microdureté de 4 950 kgf/mm² et une dureté Mohs de 9,3. Seules la dureté du diamant et celle du nitrure de bore cubique sont supérieures. Le carbure de bore présente des caractéristiques telles qu’une résistance aux hautes températures, à la corrosion acide et alcaline, une résistance mécanique élevée, une bonne stabilité chimique et une faible densité, ce qui explique ses nombreuses applications dans le domaine des nouveaux matériaux.

Principaux domaines d'application et caractéristiques du carbure de bore : (1) Application dans l'industrie de la défense : le carbure de bore est utilisé pour fabriquer des matériaux balistiques, tels que les plaques pare-balles des gilets pare-balles, boule en céramiqueLes tuiles métalliques sont utilisées dans les cockpits des avions militaires, et les plaques balistiques en céramique dans les véhicules blindés de transport de troupes et les chars modernes. Dans l'industrie de l'armement, elles servent à fabriquer des tuyères pour armes à feu et canons. Actuellement, l'aluminium est utilisé pour la fabrication de ces matériaux.₂LE₃Des céramiques antibalistiques à base d'Al₂O₃ ont été utilisées dans les projets « 502 » et « 212 ». Cependant, l'utilisation de blindages composites céramiques à base d'Al₂O₃ sur les flancs des véhicules blindés ne permet pas une réduction de poids significative. En revanche, l'utilisation de blindages au bore haute performance… Céramique de carbure À épaisseur égale, un blindage composite permet de réduire le poids de 15 à 20 % tout en améliorant les performances balistiques. Par conséquent, le développement de blindages composites céramiques pour équipements critiques exige des céramiques antibalistiques en carbure de bore performantes et économiques. La mise au point et l'application de ces matériaux peuvent considérablement améliorer les performances opérationnelles des armements concernés et générer d'importants avantages militaires et économiques. Les applications des céramiques balistiques en carbure de bore concernent notamment les équipements critiques, les futurs chars de combat principaux, les véhicules de combat d'infanterie, les véhicules aéroportés et autres véhicules blindés légers, ainsi que la protection des panneaux ventraux des hélicoptères armés et des superstructures des navires.

(2) Application dans l'industrie nucléaire : Le carbure de bore est utilisé pour fabriquer des barres de contrôle, des barres de régulation, des barres d'accident, des barres de sécurité et des barres de protection pour les réacteurs nucléaires. Il est également utilisé dans la production de tuiles, de plaques ou d'absorbeurs de neutrons en carbure de bore (à haute teneur en bore).₁₀ Le carbure de bore (BoR), sous forme de poudre, est utilisé pour la radioprotection et peut être mélangé à du ciment pour la construction de blindages de réacteurs. C'est un composant fonctionnel essentiel, juste après les éléments combustibles nucléaires. Caractéristiques : Le carbure de bore absorbe un grand nombre de neutrons sans former d'isotopes radioactifs, ce qui en fait un absorbeur de neutrons idéal et un composant essentiel des réacteurs nucléaires dans le domaine de la production d'énergie nucléaire. Les absorbeurs de neutrons contrôlent principalement le taux de fission nucléaire et, pour augmenter leur surface, ils sont produits sous forme de poudre. Le carbure de bore présente une section efficace d'absorption neutronique élevée, un large spectre d'énergie d'absorption, un faible coût, des sources de matières premières abondantes et un faible rayonnement secondaire gamma après absorption des neutrons, ce qui facilite le traitement des déchets. Par conséquent, le carbure de bore constitue un matériau important pour l'absorption des neutrons.

(3) Utilisation dans le domaine des matériaux réfractaires : Le carbure de bore est utilisé comme additif antioxydant dans les briques et les bétons réfractaires à faible teneur en carbone de type magnésium-carbone. Dans la sidérurgie, il est employé dans des zones critiques exigeant une résistance élevée à la température et à l’érosion, telles que les poches de coulée, les bassins de coulée, les plaques de glissement et les tiges d’arrêt. Face aux exigences de réduction de la consommation et d’économie d’énergie de la sidérurgie, ainsi qu’au besoin de produire de l’acier à faible teneur en carbone et de l’acier à très faible teneur en carbone, la recherche et le développement de briques à faible teneur en carbone de type magnésium-carbone haute performance (avec une teneur en carbone généralement inférieure à 8 %) suscitent un intérêt croissant de la part des industries nationales et internationales. Actuellement, l’amélioration des performances de ces briques repose principalement sur le renforcement de la structure carbonée, l’optimisation de la structure matricielle et l’ajout d’antioxydants efficaces. Parmi ces mesures, l'utilisation de B4C de qualité industrielle combiné à du noir de carbone partiellement graphitisé pour former une poudre composite de noir de carbone graphitisé, servant à la fois de source de carbone et d'antioxydant dans les briques magnésium-carbone à faible teneur en carbone, a donné d'excellents résultats. Les briques magnésium-carbone à faible teneur en carbone avec ajout de B4C₄Le carbone présente d'excellentes propriétés physiques conventionnelles, une résistance à l'oxydation et une stabilité aux chocs thermiques.

Caractéristiques : Le carbure de bore agit comme antioxydant dans les matériaux réfractaires carbonés, ce qui permet de densifier le produit et d'empêcher l'oxydation du carbone au sein de ces matériaux. Simultanément, des réactions se produisent à des températures comprises entre 1000 °C et 1250 °C, générant des structures cristallines colonnaire de (9 Al₂LE₃•2B₂LE₃Ces cristaux se répartissent dans la matrice et les interstices des matériaux réfractaires. Ce processus réduit la porosité, améliore la résistance à moyenne température et le volume cristallin généré se dilate, compensant ainsi le retrait et réduisant les fissures.

(4) Autres matériaux céramiques techniques : Le carbure de bore est utilisé pour la fabrication de buses de sablage, de buses de découpe au jet d'eau haute pression, de joints d'étanchéité, de moules en céramique et pour d'autres applications. Caractéristiques : Les buses en carbure de bore présentent une dureté et une résistance à l'usure élevées, ce qui leur permettra de remplacer progressivement les alliages durs connus (acier au tungstène) ainsi que des matériaux comme le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxyde d'aluminium et l'oxyde de zirconium. Par ailleurs, le carbure de bore est utilisé dans les céramiques composites : Composé à liaisons covalentes très fortes et à faible plasticité, il présente une résistance importante au mouvement des joints de grains, ce qui rend difficile l'obtention de pièces frittées denses. Hormis quelques cas particuliers, tels que les matériaux de paliers dynamiques à gaz en carbure de bore micromorphe et les blocs de carbure de bore utilisés comme absorbeurs de neutrons dans les réacteurs atomiques, l'amélioration du comportement au frittage du carbure de bore est généralement obtenue par l'ajout d'adjuvants de frittage, permettant ainsi d'obtenir des produits en carbure de bore plus économiques et plus pratiques. De plus, l'ajout d'une quantité importante de carbure de silicium au carbure de bore pour créer des matériaux composites est une méthode efficace pour améliorer la densité de frittage. Le carbure de silicium possède d'excellentes propriétés mécaniques et physiques, notamment une résistance spécifique et un module spécifique élevés, une bonne résistance à la corrosion et aux chocs thermiques, une faible densité et un faible coefficient de dilatation thermique.

De plus, dans le tableau périodique, le silicium (Si) est adjacent au bore (B) et au carbone (C), ce qui rend leurs performances assez similaires. Selon le principe de compatibilité similaire, la présence de SiC améliore la diffusion lors du frittage et favorise le frittage du carbure de bore. Des scientifiques étudiant le frittage de céramiques de carbure de silicium ont constaté que l'ajout d'une quantité appropriée de carbure de bore au carbure de silicium permet d'obtenir un corps fritté plus dense. Il est donc évident que le carbure de bore et le carbure de silicium peuvent mutuellement améliorer le processus de densification lors du frittage. Notamment, le bore…₄Les céramiques composites C-SiC permettent de réduire les conditions de frittage des céramiques de carbure de bore tout en conservant leurs excellentes propriétés physiques et mécaniques.₄Les céramiques C-SiC sont considérées comme des matériaux résistants à la corrosion et à l'usure à haute température, offrant de vastes perspectives d'application. Elles sont déjà utilisées dans les buses industrielles, les joints de pompes et les moules d'extrusion à chaud. Ces dernières décennies, le développement rapide des sciences et des technologies, notamment en électronique, en aérospatiale et en informatique, a engendré un besoin urgent de matériaux aux propriétés spécifiques. Les céramiques spéciales, abondantes en ressources, peu coûteuses à produire, faciles à fabriquer et dotées de nombreuses propriétés uniques, ont émergé, méritant l'appellation de « céramiques universelles » et s'imposant comme l'un des matériaux les plus prometteurs du XXIe siècle. Le carbure de bore est devenu un membre important de la famille des céramiques spéciales grâce à ses nombreuses propriétés remarquables. Aujourd'hui, la plupart des défis liés à la préparation de la poudre de carbure de bore et au frittage des matériaux céramiques à base de carbure de bore ont été relevés avec succès. Dans le domaine des matériaux de demain, le carbure de bore occupera sans aucun doute une place prépondérante grâce à ses propriétés exceptionnelles.

(5) Utilisé dans les domaines industriels généraux :

Le carbure de bore est utilisé dans la fabrication de baguettes de soudage de haute qualité, résistantes à l'usure, afin d'améliorer la résistance à l'usure des surfaces soudées. Il sert également de matériau de meulage et de polissage, d'abrasif pour le découpage au jet d'eau et de matériau de correction abrasif diamanté. Il est utilisé pour le polissage et le meulage de haute précision dans l'industrie de la joaillerie. Propriétés : Le carbure de bore est un solide plus dur que le carbure de silicium ou le carbure de tungstène. Il a longtemps été utilisé comme abrasif grossier. En raison de son point de fusion élevé, il est difficile à mouler en objets, mais la fusion de poudre à haute température permet de lui donner des formes simples et de l'utiliser pour le meulage, le perçage et le polissage du carbure, des pierres précieuses, etc.

(6) Propriétés électriques des applications du carbure de bore :

Le thermocouple carbure de bore-graphite est constitué d'un tube en graphite, d'une tige en carbure de bore et d'une bague en nitrure de bore entre les deux. Il s'utilise sous gaz inerte et sous vide jusqu'à 2200 °C. Entre 600 et 2200 °C, la différence de potentiel présente une relation linéaire avec la température.

(7) Application du carbure de bore comme matière première chimique :

La poudre de carbure de bore est activée par des halogènes et peut être utilisée comme agent de boruration pour l'acier et d'autres alliages. Elle permet d'infiltrer le bore à la surface de l'acier afin de conférer résistance et durabilité à l'usure grâce à de fines couches de renforcement par borure de fer. Le carbure de bore peut également servir d'additif non métallique pour certains matériaux de friction à base de métaux. Préparée par voie chimique de réduction, la poudre de borure de bore peut être utilisée comme source de bore pour produire des poudres de TiB₂, ZrB₂, CrB₂ et autres ; ce procédé est appelé « méthode de préparation du carbure de bore ».

(8) Carbure de bore dans les plaquettes de saphir (LED) :

Ces dernières années, le soutien et la promotion actifs de l'industrie LED par le pays ont favorisé son développement, offrant ainsi d'importantes opportunités commerciales aux entreprises de production et de transformation de cristaux de saphir. La dureté et la résistance élevées du saphir (dureté Mohs de 9) représentent un défi majeur pour les entreprises de transformation. Du point de vue des matériaux et de la rectification, les abrasifs les plus adaptés au traitement et à la rectification des cristaux de saphir sont le diamant synthétique, le carbure de bore et la silice. Cependant, la dureté excessive du diamant synthétique (dureté Mohs de 10) risque de rayer la surface des plaquettes de saphir lors de la rectification, affectant ainsi leur transmission lumineuse, et s'avère coûteuse. Quant à la silice, sa dureté insuffisante (dureté Mohs de 7) limite la force de rectification. Par conséquent, l'abrasif en carbure de bore (dureté Mohs de 9,3) constitue le matériau idéal pour le traitement et la rectification des cristaux de saphir. Les abrasifs en carbure de bore offrent d'excellentes performances pour le meulage double face des plaquettes de saphir, ainsi que pour l'amincissement et le polissage des plaquettes épitaxiales de LED à base de saphir. Plusieurs universités de renom du pays mènent d'importantes recherches sur le carbure de bore appliqué au meulage des cristaux de saphir. En résumé, avec le développement rapide de l'industrie des LED, l'utilisation du carbure de bore connaîtra également une forte croissance.

En résumé, avec le développement de la société, des sciences et des technologies, les domaines d'application du carbure de bore continueront d'être découverts et élargis, et les perspectives d'application sur le marché seront plus vastes.