Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о B 4 C. Для других карбидов бора см. Карбиды бора .
Карбид бора
Карбид бора
Имена
Название ИЮПАК
Карбид бора
Другие имена
Тетрабор
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.031.907 Отредактируйте это в Викиданных
UNII
Характеристики
В 4 С
Молярная масса55,255 г / моль
Внешностьтемно-серый или черный порошок без запаха
Плотность2,52 г / см 3 , твердый.
Температура плавления 2763 ° С (5005 ° F, 3036 К)
Точка кипения 3500 ° С (6330 ° F, 3770 К)
нерастворимый
Структура
Ромбоэдрический
Опасности
Паспорт безопасностиВнешний паспорт безопасности материалов
Родственные соединения
Родственные соединения
Нитрид бора
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Карбид бора (химическая формула примерно B 4 C) , является чрезвычайно трудно бора - углерода керамические и ковалентной материал , используемый в танковой броне , пуленепробиваемые жилеты , двигатель диверсионных порошков, [1] , а также многочисленные промышленные применения. Обладая твердостью по Виккерсу > 30 ГПа, это один из самых твердых материалов после кубического нитрида бора и алмаза . [2]

История [ править ]

Карбид бора был открыт в 19 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. [3] Споры оставались относительно того, имел ли материал такую ​​точную стехиометрию 4: 1 , поскольку на практике материал всегда слегка обеднен углеродом с Учитывая эту формулу, и рентгеновская кристаллография показывает, что его структура очень сложная, со смесью цепей CBC и икосаэдров B 12 .

Эти особенности противоречат очень простой точной эмпирической формуле B 4 C. [4] Из-за структурной единицы B 12 химическая формула «идеального» карбида бора часто записывается не как B 4 C, а как B 12 C 3 , а дефицит углерода карбида бора описывается как комбинация блоки B 12 C 3 и B 12 CBC.

Приложения [ править ]

Способность карбида бора поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклидов делает его привлекательным в качестве поглотителя нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях [5] и от противопехотных нейтронных бомб . Применение карбида бора в ядерной области включает в себя защиту, регулирующие стержни и таблетки для останова. В регулирующих стержнях карбид бора часто измельчается в порошок для увеличения площади его поверхности. [6]

Кристаллическая структура [ править ]

Элементарная ячейка B 4 C. Зеленая сфера и икосаэдры состоят из атомов бора, а черные сферы - атомы углерода. [7]
Фрагмент кристаллической структуры B 4 C.

Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, типичную для боридов на основе икосаэдра . Здесь икосаэдры B 12 образуют ромбоэдрический элемент решетки (пространственная группа: R 3 m (№ 166), постоянные решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм), окружающий цепочку CBC, которая находится в центре элементарной ячейки , и оба атома углерода соединяют три соседних икосаэдра. Эта структура является слоистым: В- 12 икосаэдры и мостиковые атомы углерода образуют сетевую плоскость , которая распространяется параллельно гр плоскости и стеки вдоль гр-ось. 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. [7]

Из-за структурной единицы B 12 химическая формула «идеального» карбида бора часто записывается не как B 4 C, а как B 12 C 3 , а дефицит углерода карбида бора описывается в терминах комбинации B 12 C 3 и B 12 C 2 шт. [4] [8] Некоторые исследования указывают на возможность включения одного или нескольких атомов углерода в икосаэдры бора, что приводит к формулам, таким как (B 11 C) CBC = B 4 C на тяжелом углероде конце стехиометрии, но такие формулы, как B 12 (CBB) = B 14C на конце, богатом бором. Таким образом, «карбид бора» представляет собой не одно соединение, а семейство соединений различного состава. Обычным промежуточным продуктом, который приблизительно соответствует обычно найденному соотношению элементов, является B 12 (CBC) = B 6,5 C. [9] Квантово-механические расчеты показали, что конфигурационный беспорядок между атомами бора и углерода в различных положениях в кристалле определяет несколько из свойства материалов - в частности, симметрия кристалла композиции B 4 C [10] и неметаллический электрический характер композиции B 13 C 2 . [11]

Свойства [ править ]

Карбид бора известен как прочный материал, обладающий чрезвычайно высокой твердостью (от 9,5 до 9,75 по шкале твердости Мооса ), высоким поперечным сечением для поглощения нейтронов (т.е. хорошими защитными свойствами от нейтронов), устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химикатов. [6] 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]

Свойства полупроводников [ править ]

Карбид бора - это полупроводник , в электронных свойствах которого преобладает прыжковый транспорт. [9] Ширина запрещенной зоны зависит от состава, а также от степени порядка. Ширина запрещенной зоны оценивается в 2,09 эВ с множеством состояний средней запрещенной зоны, которые усложняют спектр фотолюминесценции. [9] Материал обычно р-типа.

Подготовка [ править ]

Карбид бора был впервые синтезирован Муассан в 1899 году [8] путем восстановления триоксида бора либо с углеродом или магнием в присутствии углерода в электрической дуговой печи . В случае углерода реакция происходит при температурах выше точки плавления B 4 C и сопровождается выделением большого количества монооксида углерода : [16]

2 В 2 О 3 + 7 С → В 4 С + 6 СО

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

Использует [ редактировать ]

Карбид бора используется для изготовления внутренних пластин бронежилетов.
  • Замки
  • Противоракетная броня личного и транспортного средства
  • Сопла для дробеструйной очистки
  • Сопла для гидроабразивной резки высокого давления
  • Покрытия, устойчивые к царапинам и износу
  • Режущие инструменты и матрицы
  • Абразивы
  • Поглотитель нейтронов в ядерных реакторах
  • Композиты с металлической матрицей
  • Высокоэнергетическое топливо для твердого топлива Ramjets Zip fuel
  • В тормозных накладках автомобилей

См. Также [ править ]

  • Список соединений с углеродным номером 1

Ссылки [ править ]

  1. ^ Грей, Теодор (2012-04-03). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Издательство Black Dog & Leventhal. ISBN 9781579128951. Дата обращения 6 мая 2014 .
  2. ^ "Рутгерс работает над бронежилетом" . Пресса Эсбери Парк . Эсбери-Парк, штат Нью-Джерси, 11 августа 2012 года . Проверено 12 августа 2012 . ... карбид бора - третий по твердости материал на Земле.
  3. ^ Риджуэй, Рамонд Р. «Карбид бора» , Европейский патент CA339873 (A), дата публикации: 1934-03-06
  4. ^ a b Balakrishnarajan, Musiri M .; Pancharatna, Pattath D .; Хоффманн, Роальд (2007). «Структура и связь в карбиде бора: непобедимость несовершенств» . New J. Chem . 31 (4): 473. DOI : 10.1039 / b618493f .
  5. ^ Изготовление и оценка уран-глиноземных топливных элементов и горючих ядовитых элементов из карбида бора , Wisnyi, LG и Taylor, KM, в «Специальной технической публикации ASTM № 276: Материалы в ядерных приложениях», сотрудники Комитета E-10, Американское общество Испытательные материалы , 1959 г.
  6. ^ a b Веймер, стр. 330
  7. ^ a b Чжан FX, Сюй Ф.Ф., Мори Т., Лю QL, Сато А., Танака Т. (2001). «Кристаллическая структура новых редкоземельных твердых тел, богатых бором: REB28.5C4». J. Alloys Compd . 329 (1–2): 168–172. DOI : 10.1016 / S0925-8388 (01) 01581-X .
  8. ^ a b Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 149. ISBN 978-0-08-037941-8.
  9. ^ a b c Домнич, Владислав; Рейно, Сара; Хабер, Ричард А .; Чховалла, Маниш (2011). «Карбид бора: структура, свойства и устойчивость под напряжением» (PDF) . Варенье. Ceram. Soc . 94 (11): 3605–3628. DOI : 10.1111 / j.1551-2916.2011.04865.x . Архивировано из оригинального (PDF) 27 декабря 2014 года . Проверено 23 июля 2015 года .
  10. ^ Ektarawong, A .; Симак, С.И.; Hultman, L .; Birch, J .; Аллинг, Б. (2014). «Изучение из первых принципов конфигурационного беспорядка в B 4 C с использованием метода суператомных квазислучайных структур». Phys. Rev. B . 90 (2): 024204. arXiv : 1508.07786 . Bibcode : 2014PhRvB..90b4204E . DOI : 10.1103 / PhysRevB.90.024204 . S2CID 39400050 . 
  11. ^ Ektarawong, A .; Симак, С.И.; Hultman, L .; Birch, J .; Аллинг, Б. (2015). «Конфигурационный порядок-беспорядок, индуцированный переходом металл-неметалл в B 13 C 2, изучен с помощью первых принципов суператомно-специального метода квазислучайной структуры». Phys. Rev. B . 92 (1): 014202. arXiv : 1508.07848 . Bibcode : 2015PhRvB..92a4202E . DOI : 10.1103 / PhysRevB.92.014202 . S2CID 11805838 . 
  12. ^ Сайрам, К .; Sonber, JK; Мурти, ЦРЧ .; Subramanian, C .; Hubli, RC; Сури, АК (2012). «Разработка композитов B4C-HfB2 реакционным горячим прессованием». Int.J. Ref. Встретились. Hard Mater . 35 : 32–40. DOI : 10.1016 / j.ijrmhm.2012.03.004 .
  13. ^ Соложенко, ВЛ; Куракевич, Александр Олегович; Ле Годек, Янн; Мезуар, Мохамед; Мезуар, Мохамед (2009). "Предельная метастабильная растворимость бора в алмазе: синтез сверхтвердого алмазоподобного BC5" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 102 (1): 015506. Bibcode : 2009PhRvL.102a5506S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.015506 . PMID 19257210 .  
  14. ^ "Карбид бора" . Прецизионная керамика. Архивировано из оригинала на 2015-06-20 . Проверено 20 июня 2015 .
  15. ^ А. Сохансандж; А. М. Хадиан (2012). «Очистка измельченного истиранием наноразмерного порошка карбида бора». 2-я Международная конференция по ультрамелкозернистым и наноструктурным материалам (UFGNSM) . Международный журнал современной физики: Серия конференций. 5 : 94–101. Bibcode : 2012IJMPS ... 5 ... 94S . DOI : 10.1142 / S2010194512001894 .
  16. ^ Веймер, стр. 131
  17. ^ Patnaik, Pradyot (2002). Справочник неорганических химикатов . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-049439-8 

Библиография [ править ]

  • Алан В. Веймер (1997). Синтез и переработка карбидных, нитридных и боридных материалов . Chapman & Hall (Лондон, Нью-Йорк). ISBN 0-412-54060-6.

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный кадастр загрязнителей - бор и соединения
  • Запись в химической базе данных NIST для карбида бора