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Carboneto de boro em pó, normalmente representado pela fórmula química B₄C, é um dos materiais-mais duros feitos pelo homem que se conhece. Sua dureza perde apenas para o nitreto cúbico de boro e o diamante, com uma dureza Mohs de aproximadamente 9,3. Essa extraordinária dureza decorre de sua estrutura cristalina única - dodecaedros de boro densamente compactados são interconectados por meio de fortes ligações covalentes com cadeias de átomos de carbono, formando uma rede tri-dimensional extremamente estável. Essa estrutura não apenas lhe confere dureza extremamente alta e excelente resistência ao desgaste, mas também proporciona baixa densidade (cerca de 2,52 g/cm³), alto ponto de fusão (cerca de 2.450 graus) e seções transversais de captura de nêutrons térmicos extremamente grandes, entre outras características marcantes. Portanto, o carboneto de boro é amplamente utilizado em campos militares e industriais, como armaduras leves e à prova de balas de alto-desempenho, bicos de máquinas de jato de areia e vedações-resistentes ao desgaste. Ao mesmo tempo, é também um material absorvente-de nêutrons indispensável em usinas nucleares, usado na fabricação de hastes de controle e componentes de blindagem. No entanto, essa ligação covalente extremamente forte também resulta em baixa atividade de sinterização e fragilidade inerente, tornando um desafio significativo a produção de componentes densos de formato-complexo, que continua sendo um importante tópico de pesquisa na ciência de materiais atual.
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C.F |
CB4 |
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E.M |
56 |
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M.W |
55 |
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m/z |
56 (100.0%), 55 (74.5%), 54 (37.0%), 55 (24.8%), 53 (6.1%), 57 (1.1%), 56 (1.1%) |
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E.A |
C, 21.74; B, 78.26 |
Etapas detalhadas e equações químicas para preparaçãopó de carboneto de boro
Etapa 1: Grafite e carvão são triturados pelo método de redução térmica de carbono. O objetivo desta etapa é quebrar o grafite e o carvão em partículas menores para posterior mistura e reação.
Passo 2: Misture com ácido bórico na proporção de 0,5:0,5:3. Misture o produto da redução térmica do carbono da grafite e do carvão com ácido bórico na proporção de 0,5:0,5:3 para obter uma mistura uniforme.
C+H3BO3 → B+CO2+H2O
Etapa 3: Mistura do moinho de bolas. Coloque a mistura em um moinho de bolas e misture bem para uniformizar os vários componentes.
Etapa 4: Reação de carbonização em forno elétrico a arco. Coloque a mistura em um forno de arco horizontal bipolar monofásico e conduza a reação de carbonização a 1700-2300 graus.
B2O3+3C → 2B+3CO
Etapa 5: Descarga e resfriamento. Após a conclusão da reação, remova os produtos da reação do forno elétrico a arco e resfrie-os.
Etapa 6: esmague e selecione. Esmague o produto resfriado e selecione-o para remover impurezas e peças não qualificadas.
Etapa 7: lavagem com água quente. Lave os produtos triturados e selecionados com água quente para remover ainda mais impurezas e resíduos.
Etapa 8: Trituração e moagem grosseira. Esmague aproximadamente o produto após a etapa de lavagem anterior e depois triture-o para tornar o tamanho das partículas do produto mais fino.
Etapa 9: Decapagem. Lave o produto com solução ácida a uma determinada temperatura, com temperatura não inferior a 80 graus e tempo de 12 horas. Esta etapa visa remover ainda mais impurezas e resíduos e melhorar a pureza do produto. A possível equação química da lavagem ácida é: B+H3PO4 → H3BO3+H2.
Passo 10: Lave com água até ficar neutro. Lave o produto lavado com ácido com água limpa até que o valor do pH do produto atinja neutro.
Etapa 11: Seleção e secagem. Selecione o produto lavado, remova todas as-peças não conformes e depois seque o produto.
Etapa 12: Triagem e precipitação. Peneire e precipite o produto seco para obter produtos de carboneto de boro com diferentes tamanhos de partículas.
Etapa 13: Lavagem em série com água. Lave o produto de carboneto de boro precipitado várias vezes para remover ainda mais impurezas e resíduos e obter produtos acabados de carboneto de boro de alta-pureza.
Carboneto de boro em pó, com fórmula química B ₄ C e peso molecular de 55,25, é geralmente um micropó cinza preto ou preto com brilho metálico. Sua dureza Mohs é de cerca de 9,3-9,5, perdendo apenas para o diamante e o nitreto cúbico de boro, ocupando o terceiro lugar em dureza entre todos os materiais comuns. O ponto de fusão do carboneto de boro é tão alto quanto 2350-2450 graus C, com um ponto de ebulição superior a 3500 graus C, e possui excelente resistência a altas temperaturas. Sua densidade relativa é de 2,508-2,512 g/cm³, tornando-o um material leve, com alta resistência, alto módulo de elasticidade e alta condutividade térmica.
Em termos de estabilidade química, o carboneto de boro apresenta resistência extremamente forte à corrosão ácida e alcalina e é estável em todas as soluções aquosas concentradas ou diluídas de ácido ou alcalino, resistindo até mesmo ao molhamento por metal fundido. Além disso, o carboneto de boro também tem boa capacidade de absorção de nêutrons, alta seção transversal de captura para nêutrons térmicos e não forma nenhum isótopo radioativo. Essas propriedades únicas estabeleceram uma base sólida para a aplicação de carboneto de boro em vários campos.
Setor industrial
Cerâmica e componentes duráveis-de alta temperatura:
O carboneto de boro possui dureza e resistência extremamente altas e pode ser usado para fabricar componentes que operam em altas temperaturas, como bicos de motores, pás de turbinas, bielas de cerâmica, etc. Na indústria cerâmica, adicionar carboneto de boro como fase de reforço à cerâmica de alumina e carboneto de silício pode melhorar significativamente a tenacidade à fratura e a resistência dos materiais. Sua excelente estabilidade-em altas temperaturas permite que esses componentes mantenham um desempenho estável sob condições extremas e estendam sua vida útil.
Ferramentas de corte e abrasivos:
O carboneto de boro tem boa resistência ao desgaste e desempenho de corte e pode ser usado para fabricar ferramentas de corte de alta dureza e{0}}resistência, como brocas, fresas, ferramentas de corte, etc. Enquanto isso, a dureza do carboneto de boro é mais de 10 vezes maior que a do aço, tornando-o um material ideal para a fabricação de abrasivos de alta{3}}eficiência, como rebolos, cintas de areia e hastes de desbaste. Sua alta capacidade de retificação confere ao abrasivo de carboneto de boro uma vantagem única no processamento de materiais duros, como ligas superduras e pedras preciosas.
Material-resistente ao desgaste:
A alta dureza e resistência ao desgaste do carboneto de boro fazem dele a escolha preferida para a fabricação de materiais-resistentes ao desgaste. Materiais resistentes ao desgaste-de carboneto de boro são amplamente utilizados na fabricação de peças-resistentes ao desgaste em indústrias como máquinas, engenharia química, metalurgia, etc., como êmbolos de bombas de polpa, anéis de vedação mecânica, rolamentos, lâminas de torneira, etc. Esses componentes podem manter desempenho estável em ambientes de alta-velocidade, alta-pressão e alto desgaste, reduzindo falhas de equipamentos e custos de manutenção.
Campo de energia nuclear
O carboneto de boro tem alta capacidade de capturar nêutrons térmicos e não forma isótopos radioativos, tornando-o um absorvedor de nêutrons ideal em usinas nucleares. Em reatores nucleares, o carboneto de boro é usado principalmente para fazer hastes de controle ou materiais de blindagem para controlar a taxa de fissão nuclear e proteger a radiação de nêutrons. As hastes de controle podem ser ajustadas de acordo com o status operacional do reator para garantir a segurança e estabilidade da reação nuclear. Os materiais de blindagem podem efetivamente reduzir os riscos de radiação de nêutrons para o ambiente e para as pessoas ao redor.
Campos Militares e de Defesa
Material à prova de balas:
O carboneto de boro possui dureza e resistência extremamente altas, tornando-o a escolha ideal para a fabricação de materiais à prova de balas. No campo militar, o carboneto de boro é amplamente utilizado na fabricação de equipamentos de proteção individual, como coletes à prova de balas, capacetes à prova de balas e placas à prova de balas. Em comparação com os materiais metálicos tradicionais, os materiais à prova de balas de carboneto de boro têm maior desempenho de proteção e peso mais leve, o que pode efetivamente melhorar a mobilidade e a capacidade de sobrevivência dos soldados. Enquanto isso, o carboneto de boro também é usado para fabricar materiais de proteção para mísseis balísticos para aumentar sua capacidade de sobrevivência.
Veículos blindados e navios:
A alta dureza e resistência ao desgaste do carboneto de boro o tornam a escolha ideal para a fabricação de materiais de proteção para veículos blindados e navios. Em veículos blindados, o carboneto de boro é utilizado na fabricação de placas de blindagem para peças importantes como carroceria e torre, a fim de melhorar o desempenho de proteção do veículo. Nos navios, o carboneto de boro é usado para fabricar materiais de proteção para conveses, anteparas e outras peças para resistir a ataques de fogo inimigo. Além disso, o carboneto de boro também é usado na fabricação de revestimentos de navios para melhorar a resistência à corrosão e o desempenho furtivo dos navios.
Campo aeroespacial
O carboneto de boro tem excelente estabilidade-em altas temperaturas e resistência ao desgaste, tornando-o um material ideal para a fabricação de componentes-de alta temperatura de veículos aeroespaciais. Em motores a jato, o carboneto de boro é usado para fabricar componentes essenciais, como bicos e pás de turbina, para garantir a operação estável do motor em ambientes de alta temperatura e alta pressão. Nos motores de turbina de aviação, o carboneto de boro é usado para fabricar componentes como pás e rolamentos para melhorar o empuxo e a eficiência do motor. Além disso, o carboneto de boro também é usado para fabricar sistemas de proteção térmica para naves espaciais para resistir ao aquecimento aerodinâmico gerado durante vôos em alta-velocidade.
Outros campos
Reatores químicos e catalisadores:
O carboneto de boro tem excelente estabilidade química e estabilidade a altas-temperaturas e pode ser usado para fabricar reatores químicos e suportes de catalisadores. Na produção química, os reatores de carboneto de boro podem resistir à erosão de diversos meios corrosivos, garantindo a segurança e estabilidade do processo de reação. Enquanto isso, o carboneto de boro como transportador de catalisador pode melhorar a dispersão e estabilidade do catalisador e aumentar a eficiência das reações catalíticas.
Revestimento de barreira térmica:
O carboneto de boro pode ser usado para fabricar materiais de revestimento de barreira térmica para uso em altas temperaturas, como revestimentos na superfície de pás de turbinas. Os revestimentos de barreira térmica podem reduzir efetivamente a temperatura operacional de componentes-de alta temperatura, melhorando sua vida útil e eficiência.Carboneto de boro em póos revestimentos de barreira térmica têm excelente resistência a altas temperaturas e à oxidação e podem ser usados por um longo período em uma atmosfera de oxidação em alta-temperatura sem degradação.
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