Bor Karbür: çok sert ve kovalent malzeme

Madde tank zırhı, kurşun geçirmez yelekler, motor sabotaj tozlarının içinde olduğu çok sayıda endüstriyel uygulama alanına sahiptir. Vickers sertliği 30 GPa'dan fazla olan bor karbür, kübik bor nitrür ve elmasın ardından bilinen en sert malzemelerden biridir. Seramiğin yoğunluğu 2,52 g/cm³, molar kütlesi 55,255 g/mol, kaynama noktası 3.500 °C, PubChem Bileşik Kimlik Numarası ise 123279'dur.Türk Kara Kuvvetlerine Giren Altay Tankı'nın Zırhıda Bir Karbür'dür.

Bor karbür (kimyasal formülü yaklaşık olarak B₄C), son derece sert bir bor-karbon seramiğidir, tank zırhı, kurşun geçirmez yelekler, motor sabotaj tozları ve çok sayıda endüstriyel uygulamada kullanılan kovalent bir malzemedir. >30 GPa Vickers sertliği ile kübik bor nitrür ve elmasın ardından bilinen en sert malzemelerden biridir.

Bor karbür, 19. yüzyılda metal boritleri içeren reaksiyonların bir yan ürünü olarak keşfedildi, ancak kimyasal formülü bilinmiyordu. Kimyasal bileşimin B₄C olarak tahmin edilmesi 1930'lara kadar gerçekleşmedi. Malzemenin tam olarak 4:1 stokiyometrisine sahip olmadığı bilinmektedir; çünkü pratikte malzeme bu formüle göre her zaman biraz karbon-eksiktir ve X-ışını kristalografisi, CBC zincirleri ve B₁₂ icosahedra karışımı ile yapısının oldukça karmaşık olduğunu göstermektedir.

Bu özellikler, çok basit bir kesin B₄C ampirik formülüne karşı çıkıyordu. B₁₂ yapısal birimi nedeniyle, "ideal" bor karbürün kimyasal formülü genellikle B₄C değil, B₁₂C₃ olarak yazılır ve bor karbürün karbon noksanlığı, B₁₂C₃ ve B₁₂CBC birimlerinin bir kombinasyonu olarak tanımlanır.

 

 

Bor karbür, ikosahedron bazlı boritlere özgü karmaşık bir kristal yapıya sahiptir. Orada, B₁₂ icosahedra bir eşkenar dörtgen kafes birimi oluşturur (boşluk grubu: R3m (No. 166), kafes sabitleri: a = 0,56 nm ve c = 1.212 nm) birim hücrenin merkezinde bulunan bir CBC zincirini çevreler ve her iki karbon atomu da komşu üç ikosahedrayı köprüler. Bu yapı katmanlıdır: B₁₂ icosahedra ve köprü oluşturan karbonlar, c düzlemine paralel yayılan ve c ekseni boyunca kümelenen bir ağ düzlemi oluşturur. Kafesin iki temel yapı birimi vardır - B₁₂ ikosahedron ve B₆ oktahedron. B₆ oktahedranın küçük boyutu nedeniyle birbirine bağlanamazlar. Bunun yerine, komşu katmandaki B₁₂ icosahedra'ya bağlanırlar ve bu, c düzlemindeki bağ kuvvetini azaltır.

B₁₂ yapısal birimi nedeniyle, "ideal" bor karbürün kimyasal formülü genellikle B₄C olarak değil, B₁₂C₃ olarak yazılır ve bor karbürün karbon noksanlığı, B₁₂C₃ ve B₁₂C birimlerinin bir kombinasyonu olarak tanımlanır. Bazı araştırmalar, stokiyometrinin karbon ağırlıklı ucunda (B₁₁C)CBC = B₄C gibi formüllere yol açan, boron açısından zengin uçta B₁₂ (CBB) = B₁₄C gibi formüllere yol açan, bir veya daha fazla karbon atomunun bor ikosahedraya dahil olma olasılığını göstermektedir. Dolayısıyla "bor karbür" tek bir bileşik değil, farklı bileşimlere sahip bir bileşik ailesidir. Yaygın olarak bulunan bir element oranına yaklaşan ortak bir ara madde, B₁₂(CBC) = B_6.5C'dir. Kuantum mekanik hesaplamalar, kristaldeki farklı konumlardaki bor ve karbon atomları arasındaki konfigürasyon bozukluğunun, özellikle B₄C bileşiminin kristal simetrisi ve B₁₃C₂ bileşiminin metalik olmayan elektriksel karakteri gibi birçok malzeme özelliğini belirlediğini göstermiştir.

Bor karbür, son derece yüksek sertliğe (Mohs sertlik ölçeğinde yaklaşık 9.5 ila 9.75), nötronların emilmesi için yüksek kesite (yani nötronlara karşı iyi koruma özellikleri), iyonlaştırıcı radyasyona ve çoğu kimyasal maddeye karşı kararlılığa sahip sağlam bir malzeme olarak bilinir. Vickers sertliği (38 GPa), Elastik Katsayı (460 GPa) ve kırılma tokluğu (3,5 MPa.m ^1/2) elmas için karşılık gelen değerlere (1150 GPa ve 5.3 MPa.m ^1/2) yaklaşır.

Bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürden sonra bilinen en sert üçüncü maddedir ve bu, ona "kara elmas" takma adını kazandırmıştır.

Yarı iletken özellikler

Bor karbür, atlamalı tip taşımanın hakim olduğu elektronik özelliklere sahip bir yarı iletkendir. Enerji bant aralığı, düzen derecesine olduğu kadar bileşime de bağlıdır. Bant aralığının, fotolüminesans spektrumunu karmaşıklaştıran çoklu orta bant aralığı durumları ile 2.09 eV olduğu tahmin edilmektedir. Malzeme tipik olarak p-tipidir.

Bor karbür ilk olarak 1899'da Henri Moissan tarafından boron trioksitin bir elektrik ark ocağında karbon varlığında karbon veya magnezyum ile indirgenmesiyle sentezlendi. Karbon söz konusu olduğunda, reaksiyon B₄C erime noktasının üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir ve buna büyük miktarda karbon monoksitin serbest bırakılması eşlik eder: 2 B₂Ö₃ + 7 C → B₄C + 6 CO

Magnezyum kullanılırsa, reaksiyon bir grafit potada gerçekleştirilebilir ve magnezyum yan ürünleri asitle işlenerek çıkarılır.

 

 

Sertliği için :

• asma kilitler
• Kişisel ve araç anti-balistik zırh kaplaması
• Kum püskürtme nozulları
• Yüksek basınçlı su jeti kesici nozullar
• Çizilmeye ve aşınmaya dayanıklı kaplamalar
• Kesici aletler ve kalıplar
• aşındırıcılar
• Metal matrisli kompozitler
• Araçların fren balatalarında

Diğer özellikler için :

• Nükleer reaktörlerde nötron soğurucu (aşağıya bakınız)
• Katı yakıtlı ramjetler için yüksek enerjili yakıt

Nükleer uygulamalar

Bor karbürün uzun ömürlü radyonüklidler oluşturmadan nötronları soğurma yeteneği, onu nükleer santrallerde ve anti-personel nötron bombalarından kaynaklanan nötron radyasyonu için bir emici olarak çekici kılmaktadır. Bor karbürün nükleer uygulamaları ekranlamayı içerir.