Виробництво, властивості та застосування В4С

Вперше карбід Бору був отриманий в 1858 році. У 1883 році цей карбід синтезував Джолі, який вважав, що ця речовина має склад В₃С. У 1894 році Мойссан визначив його склад як В₆С. Тільки в 1934 було доведено, що карбід Бору має склад В₄С [19]. Однак уточненням формули карбіду Бору дослідники займалися ще не один десяток років і навіть на сьогоднішній день однозначне трактування відсутнє.

1.1. Способи виробництва

Для отримання карбіду Бору використовується кілька методів [22, 40]: прямий синтез з елементів; відновлення оксиду Бору (В₂O₃) або борної кислоти (Н₃ВO₃) вуглецем; відновлення оксиду Бору магнієм у присутності вуглецю; відновлення хлориду Бору воднем у присутності вуглецю.

Способи отримання карбіду Бору відрізняються використанням різної вихідної сировини, температурою протікання реакцій, продуктивністю, чистотою отриманих продуктів та їх цільовим призначенням.

З борної кислоти або B₂O₃ і вуглецю в електродугових печах. Процес відбувається в два етапи:

В₂О₃ + 3СО=2B + 3CO₂;

4В+С=В₄С.

Перетворення B₂O₃ в СО починається за 1673 К. B₂O₃-вуглецеву суміш завантажують у піч, температура центральної частини якої досягає 2473-2773 K і утворюється карбід складу поблизу В_{4, 3}C, що містить кілька відсотків вільного графіту.

Синтез з елементів. Протікає за реакцією:

4В+С=В4С.

Технологічний процес отримання карбіду Бору синтезом з елементів заснований на взаємодії дрібнодисперсних порошків Бору і вуглецю при високих температурах(2300-2500^oC). Велике значення мають умови змішування компонентів, їх компактування і температурний режим в області високих температур.

Недоліком цього способу є занадто висока температура синтезу, яка викликає розкладання карбіду Бору з сублімацією Бору і збагаченням продукту, що залишився вуглецем. Виробництво таким способом не має промислового значення.

Відновлення борного ангідриду магнієм з наявністю вуглецю. Проходить за реакцією:

2В₂О₃+6Mg+С=В₄С+6MgO.

Цей спосіб приготування B4C забезпечує отримання карбіду Бору вже при 1000-1200°С. Продукт реакції відмивається від оксиду магнію соляною кислотою. Практичного значення для виробництва цей спосіб поки не має, проте він важливий для лабораторної практики отримання карбіду точного стехіометричного складу. Інші відмічені способи - відновлення хлориду Бору воднем у присутності вуглецю і осадження з газової фази-г також не мають практичного значення.

Відновлення хлориду Бору воднем з присутністю вуглецю. Проводиться таке відновлення з подальшим осадженням отриманого карбіду В₄С на вольфрамовому дроті:

4ВС₁₃+6Н₂+С=В₄С+12НСl.

Такий спосіб використовується для отримання дуже малих кількостей чистого карбіду Бору, тому він не отримав промислового розвитку.

1.2. Основні властивості карбіду Бору

1.2.1. Фізичні властивості

Температура плавлення карбіду Бору становить близько 2450°С, температура кипіння – 3500 °С.

Виміряна густина для B₄C становить 2500 кг/м³ [22, 40]. Густина лінійно збільшується зі збільшенням вмісту вуглецю в межах області гомогенності фази.

Коефіцієнт теплового розширення карбіду Бору становить α =5, 73 ·10^-6 K^-1 (300-1970K) [40].

Карбід Бору – напівпровідник p-типу у всій області гомогенності, властивості якого помітно змінюються в залежності не тільки від вмісту домішок, але і від способу отримання, термічної обробки і відхилення складу від стехіометрії.

Карбід Бору володіє хорошими поглинальними здібностями (поглинач нейтронів).

Теплопровідність карбіду Бору при 100°С становить 67…121Вт/м·К, а питомий електроопір за температури 20°С сягає 10¹⁴ Ом·м.

1.2.2. Хімічні властивості

Карбід Бору – вогнетривкий і хімічно інертний карбід. Він не піддається дії мінеральних кислот і основ, але розчиняється в лугах[22, 23, 42]. При температурах вище 1000 °C він реагує з хлором і з багатьма металами і їх оксидами, утворюючи бориди і чадний газ. Алюміній і кремній утворюють сполуки заміщення з карбідом Бору [40]. Дрібнодисперсні порошки карбіду Бору повільно окиснюються на вологому повітрі, утворюючи B₂O₃ або H₃BO₃. Окиснення гарячепресованих зразків в кисні починається при 600°C і приводить до утворення тонкої прозорої плівки B₂O₃, вище 1200°C відбувається інтенсивне окиснення карбіду Бору.

1.2.2. Механічні властивості B₄C

Модуль Юнга становить 320-480 ГПа, модуль зсуву – 130-200 ГПа, значення модулів збільшуються зі збільшенням вмісту вуглецю.

Границя міцності карбіду Бору при згині становить 300-500 МПа, границя міцності на стиск – 2600 МПа.

Коефіцієнт інтенсивності напруги K1C становить 3, 0-4, 0 МПа·м^1/2