2025-10-11
Карбид бора обозначает класс соединений, образованных углеродом (C) и бором (B). В зависимости от условий синтеза могут быть получены два варианта — B₄C и B₆C, хотя термин «карбид бора» обычно относится к B₄C.
Основные свойства карбида бора
B₄C принадлежит к тригональной кристаллической системе. Его элементарная ячейка содержит 12 атомов бора и 3 атома углерода. Атомы углерода в элементарной ячейке расположены в плоской структуре с диагональными связями. Атомы углерода подвижны и могут быть замещены атомами бора, образуя твердый раствор. Они также могут выходить из решетки, образуя соединения с высоким содержанием бора и дефектами. С молекулярной массой 52,25 (содержащей 21,74% углерода и 78,26% бора), B₄C обычно имеет сероватый или черный цвет. Его плотность составляет 2,519 г/см³, твердость по Моосу 9,36, Микротвердость составляет примерно 50 ГПа, превосходящая только алмаз и кубический нитрид бора. Следовательно, порошок B₄C обладает исключительно высокой абразивной способностью, достигая 60–70 % эффективности шлифования алмаза, что на 50 % выше, чем у SiC, и в 1–2 раза выше, чем у корунда. B4C имеет температуру плавления 2450 °C (разложение). Его коэффициент теплового расширения при 1000 °C составляет 4,5×10⁻⁶/°C. Теплопроводность составляет 121,4 Вт/м·К при 100 °C и 62,79 Вт/м·К при 700 °C. B4C в основном используется в качестве абразивного и шлифовального инструмента. Продукты из B4C, изготовленные методом горячего прессования, служат в качестве износостойких и жаропрочных компонентов. В огнеупорной промышленности B4C в основном используется в качестве добавки: он входит в состав огнеупорных материалов на углеродной основе в качестве ингибитора окисления или добавляется в несформованные материалы для повышения прочности в сыром состоянии и стойкости к эрозии.
Состав и типичные функции карбида бора
Промышленный метод синтеза порошка B₄C включает восстановление ангидрида бора избытком углерода:
2B₂O₃ + 7C → B₄C + 6CO↑
Эта реакция синтеза может проводиться в резистивных печах или дуговых электропечах. В резистивных печах нагревание оксида бора (B₂O₃) с углеродными (C) смесями при температуре ниже температуры разложения B₄C дает B₄C с минимальным содержанием свободного углерода (иногда 1-2% свободного бора), что является предпочтительным методом синтеза. В дуговых печах исключительно высокая температура дуги приводит к разложению B₄C при температуре около 2200 °C на углеродную фазу и бор. Затем бор сублимируется при повышенных температурах, в результате чего продукты реакции богаты свободным углеродом (20-30%). то B₄C разлагается при температуре около 2200 °C на углеродсодержащую фазу и бор. Затем бор улетучивается при высоких температурах, в результате чего продукты реакции содержат значительное количество свободного углерода (20–30 %). Следовательно, качество полученного B₄C несколько ниже. Для синтеза B₄C в дуговой печи обычно выбирают такие материалы, как борная кислота (чистота >92%), искусственный графит (фиксированный углерод >95%) и нефтяной кокс (фиксированный углерод >85%). Теоретические количества рассчитываются на основе формулы реакции, при этом борная кислота добавляется примерно на 2% выше теоретического количества. Искусственный графит и нефтяной кокс составляют по 50% от общего количества вводимого углерода. с дополнительными 3-4% сверх теоретического количества. Затем смешанные материалы перемешиваются в шаровой мельнице перед введением в дуговую печь. Редукция и карбонизация при 1700-2300 °C дают B₄C. Полученный расплав сортируется, промывается, измельчается, перемалывается, промывается кислотой и оседает для классификации, в результате чего получается B₄C различных размеров частиц.
