WikiDer > Карбид бора

Boron carbide
Эта статья о B4C. Относительно 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
B4C
Молярная масса55,255 г / моль
Внешностьтемно-серый или черный порошок без запаха
Плотность2,52 г / см3, 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 для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Карбид бора (химическая формула примерно B4C) чрезвычайно сложный бор–углерод керамика и ковалентный материал, используемый в бак броня, бронежилеты, двигатель саботаж порошки,[1]а также многочисленные промышленные применения. С Твердость по Виккерсу > 30 ГПа, это один из самых твердых материалов после кубической нитрид бора и алмаз.[2]

История

Карбид бора был открыт в 19 веке как побочный продукт реакций с участием боридов металлов, но его химическая формула было неизвестно. Только в 1930-х годах химический состав был оценен как B4С.[3]Остались споры относительно того, имел ли материал это точное соотношение 4: 1. стехиометрия, так как на практике материал всегда имеет небольшой дефицит углерода по этой формуле, и Рентгеновская кристаллография показывает, что его структура очень сложная, со смесью цепей C-B-C и B12 икосаэдры.

Эти особенности выступали против очень простого точного B4Эмпирическая формула.[4]Из-за B12 структурная единица, химическая формула «идеального» карбида бора часто записывается не как B4C, а как B12C3, и дефицит углерода карбида бора, описанный в терминах комбинации B12C3 и B12Подразделения CBC.

Приложения

Способность карбида бора к поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклиды делает его привлекательным как поглотитель нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях[5] и от противопехотных нейтронные бомбы. Ядерные применения карбида бора включают экранирование, стержни управления, и отключение окатышей. В регулирующих стержнях карбид бора часто измельчается в порошок для увеличения площади его поверхности.[6]

Кристальная структура

Элементарная ячейка B4C. Зеленая сфера и икосаэдры состоят из атомов бора, а черные сферы - из атомов углерода.[7]
Фрагмент B4Кристаллическая структура C.

Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, типичную для бориды на основе икосаэдра. Там, B12 икосаэдры сформировать ромбоэдрический элемент решетки (пространственная группа: р3м (№ 166), постоянные решетки: а = 0,56 нм и c = 1,212 нм), окружающего цепочку C-B-C, которая находится в центре ячейка, и оба атома углерода соединяют три соседних икосаэдра. Эта структура слоистая: B12 икосаэдры и мосты угли образуют сетевую плоскость, которая распространяется параллельно c-самолет и штабелируются по c-ось. Решетка состоит из двух основных структурных единиц - B12 икосаэдр и буква B6 октаэдр. Из-за небольшого размера B6 октаэдры, они не могут соединяться между собой. Вместо этого они привязываются к B12 икосаэдров в соседнем слое, и это снижает прочность связи в c-самолет.[7]

Из-за B12 структурная единица, химическая формула «идеального» карбида бора часто записывается не как B4C, а как B12C3, и дефицит углерода карбида бора, описанный в терминах комбинации B12C3 и B12C2 единицы.[4][8] Некоторые исследования указывают на возможность включения одного или нескольких атомов углерода в икосаэдры бора, что дает основания для таких формул, как (B11C) CBC = B4C на тяжелом углероде конце стехиометрии, но такие формулы, как B12(CBB) = B14C 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 B12(CBC) = B6.5С.[9] Квантово-механические расчеты показали, что конфигурационный беспорядок между атомами бора и углерода в различных положениях в кристалле определяет несколько свойств материалов, в частности, симметрию кристалла B4C состав[10] и неметаллический электрический характер B13C2 сочинение.[11]

Характеристики

Карбид бора известен как прочный материал, имеющий чрезвычайно высокую твердость (от 9,5 до 9,75 мм). Шкала твердости Мооса), высокое сечение поглощения нейтроны (т.е. хорошие свойства защиты от нейтронов), устойчивость к ионизирующего излучения и большинство химикатов.[6] Его Твердость по Виккерсу (38 ГПа), Модуль упругости (460 ГПа)[12] и вязкость разрушения (3,5 МПа · м1/2) приближаются к соответствующим значениям для алмаза (1150 ГПа и 5,3 МПа · м1/2).[13]

По состоянию на 2015 год, карбид бора является третьим по твердости известным веществом после алмаз и кубический нитрид бора, за что получил прозвище «черный бриллиант».[14][15]

Свойства полупроводника

Карбид бора - это полупроводник, с электронными свойствами, в которых преобладает транспорт прыжкового типа.[9] Энергия запрещенная зона зависит как от состава, так и от степени упорядоченности. Ширина запрещенной зоны оценивается в 2,09 эВ с множеством состояний средней запрещенной зоны, которые усложняют спектр фотолюминесценции.[9] Материал обычно р-типа.

Подготовка

Карбид бора был впервые синтезирован Анри Муассан в 1899 г.,[8] за счет сокращения триоксид бора либо с углерод или же магний в присутствии углерода в электрическом дуговая печь. В случае углерода реакция протекает при температурах выше точки плавления B4C и сопровождается высвобождением большого количества монооксид углерода:[16]

2 млрд2О3 + 7 C → B4С + 6 СО

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

Использует

Карбид бора используется для внутренних пластин баллистические жилеты

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Грей, Теодор (2012-04-03). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной. Издательство Black Dog & Leventhal. ISBN 9781579128951. Получено 6 мая 2014.
  2. ^ «Рутгерс работает над бронежилетом». Asbury Park Press. Эсбери-Парк, штат Нью-Джерси, 11 августа 2012 г.. Получено 2012-08-12. ... карбид бора - третий по твердости материал на Земле.
  3. ^ Риджуэй, Рамонд Р. «Карбид бора», Европейский патент CA339873 (A), дата публикации: 1934-03-06.
  4. ^ а б Balakrishnarajan, Musiri M .; Pancharatna, Pattath D .; Хоффманн, Роальд (2007). «Структура и связь в карбиде бора: непобедимость несовершенств». New J. Chem. 31 (4): 473. Дои:10.1039 / b618493f.
  5. ^ Изготовление и оценка уран-глиноземных тепловыделяющих элементов и горючих ядовитых элементов из карбида бора, Висни, Л. Г. и Тейлор, К. М., в «Специальной технической публикации ASTM № 276: Материалы в ядерных применениях», Сотрудники Комитета E-10, Американское общество тестирования материалов, 1959
  6. ^ а б Веймер, стр. 330
  7. ^ а б 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. Сплавы Compd. 329 (1–2): 168–172. Дои:10.1016 / S0925-8388 (01) 01581-X.
  8. ^ а б Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 149. ISBN 978-0-08-037941-8.
  9. ^ а б c Домнич, Владислав; Рейно, Сара; Хабер, Ричард А .; Чховалла, Маниш (2011). «Карбид бора: структура, свойства и устойчивость при напряжении» (PDF). Варенье. Ceram. Soc. 94 (11): 3605–3628. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2011.04865.x. Архивировано из оригинал (PDF) 27 декабря 2014 г.. Получено 23 июля 2015.
  10. ^ Ektarawong, A .; Симак, С. И .; Hultman, L .; Birch, J .; Аллинг, Б. (2014). "Изучение из первых принципов конфигурационного беспорядка в B4C с использованием метода суператомных квазислучайных структур ". Phys. Ред. B. 90 (2): 024204. arXiv:1508.07786. Bibcode:2014PhRvB..90b4204E. Дои:10.1103 / PhysRevB.90.024204. S2CID 39400050.
  11. ^ Ektarawong, A .; Симак, С. И .; Hultman, L .; Birch, J .; Аллинг, Б. (2015). "Конфигурационный переход металл-неметалл, вызванный порядком-беспорядком в B13C2 изучены с помощью из первых принципов суператомно-специального метода квазислучайной структуры ». Phys. Ред. B. 92 (1): 014202. arXiv:1508.07848. Bibcode:2015PhRvB..92a4202E. Дои:10.1103 / PhysRevB.92.014202. S2CID 11805838.
  12. ^ Сайрам, К .; Sonber, J.K .; Мурти, Т.С.Р.Ч .; Subramanian, C .; Hubli, R.C .; Сури, А. (2012). «Разработка композитов B4C-HfB2 реакционным горячим прессованием». Int.J. Ref. Встретились. Hard Mater. 35: 32–40. Дои:10.1016 / j.ijrmhm.2012.03.004.
  13. ^ Соложенко, В.Л .; 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:2009ПхРвЛ.102а5506С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210.
  14. ^ «Карбид бора». Прецизионная керамика. Архивировано из оригинал на 2015-06-20. Получено 2015-06-20.
  15. ^ А. Сохансандж; ЯВЛЯЮСЬ. Хадиан (2012). «Очистка измельченного истиранием наноразмерного порошка карбида бора». 2-я Международная конференция по ультрамелкозернистым и наноструктурированным материалам (UFGNSM). Международный журнал современной физики: Серия конференций. 5: 94–101. Bibcode:2012IJMPS ... 5 ... 94S. Дои:10.1142 / S2010194512001894.
  16. ^ Веймер, стр. 131
  17. ^ Патнаик, Прадёт (2002). Справочник неорганических химикатов. Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-049439-8

Библиография

внешняя ссылка