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