Карбид бора

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Эта статья о B 4 C. Информацию о других карбидах бора см. в разделе Карбиды бора .
Карбид бора
Карбид бора
Имена
Название ИЮПАК
Карбид бора
Другие имена
Тетрабор
Идентификаторы
3D model ( JSmol )
ХимическийПаук
Информационная карта ECHA 100.031.907 Отредактируйте это в Викиданных
НЕКОТОРЫЙ
Характеристики
Б 4 С
Молярная масса 55.255 g/mol
Появление темно-серый или черный порошок без запаха
Плотность 2,50 г/см 3 , твердый. [1]
Температура плавления 2350 ° C (4260 ° F; 2620 К) [1]
Точка кипения >3500 °С [1]
нерастворимый
Состав
Ромбоэдрический
Опасности
Паспорт безопасности (SDS) Внешний паспорт безопасности материалов
Родственные соединения
Родственные соединения
Нитрид бора
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).

Карбид бора (химическая формула примерно B 4 C) — чрезвычайно твердая бор - углеродная керамика , ковалентный материал, используемый в танковой броне , бронежилетах , диверсионных порохах для двигателей, [2] а также многочисленные промышленные применения. Имея твердость по Виккерсу >30 ГПа, это один из самых твердых известных материалов после кубического нитрида бора и алмаза . [3]

История [ править ]

Карбид бора был открыт в XIX 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. [4] Остались споры относительно того, имел ли материал именно эту стехиометрию 4:1 , поскольку на практике материал всегда имеет небольшой дефицит углерода по сравнению с этой формулой, а рентгеновская кристаллография показывает, что его структура очень сложна, с смесь цепей CBC и B 12 икосаэдров .

Эти особенности противоречили очень простой точной эмпирической формуле B 4 C. [5] Из-за структурной единицы B 12 химическую формулу «идеального» карбида бора часто записывают не как B 4 C, а как B 12 C 3 , а дефицит углерода карбида бора описывают через комбинацию B 12 Блоки C 3 и B 12 CBC.

Кристаллическая структура [ править ]

Элементарная ячейка B 4 C. Зеленая сфера и икосаэдры состоят из атомов бора, а черные сферы – атомов углерода. [6]
Фрагмент кристаллической структуры B 4 C.

Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, типичную для боридов на основе икосаэдра . Там B 12 икосаэдры образуют ромбоэдрическую единицу решетки (пространственная группа: R 3 m (№ 166), постоянные решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм), окружающую цепь CBC, находящуюся в центре элементарной ячейки , и оба атома углерода соединяют три соседних икосаэдра. Эта структура является слоистой: икосаэдры B 12 и мостиковые атомы углерода образуют плоскость сети, которая распространяется параллельно плоскости c и укладывается вдоль оси c . Решетка имеет две основные структурные единицы — икосаэдр B 12 B 6 и октаэдр . 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. [6]

Из-за структурной единицы B 12 химическую формулу «идеального» карбида бора часто записывают не как B 4 C, а как B 12 C 3 , а дефицит углерода карбида бора описывают через комбинацию B 12 С 3 и В 12 С 2 ед. [5] [7] Некоторые исследования указывают на возможность включения одного или нескольких атомов углерода в икосаэдры бора, что приводит к появлению таких формул, как (B 11 C)CBC = B 4 C на тяжелоуглеродном конце стехиометрии, но такие формулы, как B 12 (CBB) = B 14 C на богатом бором конце. Таким образом, «карбид бора» представляет собой не одно соединение, а семейство соединений различного состава. Обычным промежуточным продуктом, который приблизительно соответствует обычно встречающемуся соотношению элементов, является B 12 (CBC) = B 6,5 C. [8] Квантово-механические расчеты показали, что конфигурационный беспорядок между атомами бора и углерода в разных положениях в кристалле определяет некоторые свойства материалов, в частности, кристаллическую симметрию состава B 4 C. [9] и неметаллический электрический характер композиции B 13 C 2 . [10]

Свойства [ править ]

Карбид бора известен как прочный материал, обладающий чрезвычайно высокой твердостью (от 9,5 до 9,75 по шкале Мооса ), высоким поперечным сечением поглощения нейтронов (т.е. хорошими экранирующими свойствами против нейтронов), устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химических веществ. [11] ( 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 — полупроводник , в электронных свойствах которого преобладает транспорт прыжкового типа. [8] Ширина запрещенной зоны зависит как от состава, так и от степени порядка. Ширина запрещенной зоны оценивается в 2,09 эВ, причем несколько состояний в середине запрещенной зоны усложняют спектр фотолюминесценции . [8] Обычно это материал p-типа.

Подготовка [ править ]

Карбид бора был впервые синтезирован Анри Муассаном в 1899 году. [7] восстановлением триоксида бора углеродом магнием или в присутствии углерода в электродуговой печи . В случае углерода реакция протекает при температуре выше температуры плавления B 4 C и сопровождается выделением большого количества окиси углерода : [16]

2 Б 2 О 3 + 7 С → В 4 С + 6 СО

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

Пластик с пропиткой из карбида бора, используемый в качестве защиты в нейтронных экспериментах в Научно-исследовательском институте атомной энергии , Великобритания.

Приложения [ править ]

Карбид бора используется для изготовления внутренних пластин баллистических жилетов.

Исключительная твердость бора может использоваться в следующих целях:

Другие свойства карбида бора также делают его пригодным для:

Ядерные применения ​ ​

Способность карбида бора поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклидов делает его привлекательным в качестве поглотителя нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях. [18] и от противопехотных нейтронных бомб . Ядерные применения карбида бора включают защиту. [11]

Нити карбида бора [ править ]

Нити карбида бора имеют хорошие перспективы в качестве армирующих элементов в композитах из смол и металлов, что объясняется их исключительной прочностью, модулем упругости и низкой плотностью. [19] Кроме того, нити карбида бора не подвержены воздействию радиации благодаря своей способности поглощать нейтроны. [20] Он менее вреден, чем нити из других материалов, например кадмия. [21]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б с Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . п. 4.52. ISBN  9781498754293 .
  2. ^ Грей, Теодор (3 апреля 2012 г.). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Издательство Black Dog & Leventhal. ISBN  9781579128951 . Проверено 6 мая 2014 г.
  3. ^ «Рутгерс работает над бронежилетом» . Эсбери Парк Пресс . Эсбери-Парк, Нью-Джерси, 11 августа 2012 г. Проверено 12 августа 2012 г. ... карбид бора является третьим по твердости материалом на Земле.
  4. ^ Риджуэй, Рамон Р. «Карбид бора» , европейский патент CA339873 (A), дата публикации: 6 марта 1934 г.
  5. ^ Перейти обратно: а б Балакришнараджан, Мусири М.; Панчаратна, Паттат Д.; Хоффманн, Роальд (2007). «Структура и связь в карбиде бора: непобедимость дефектов» . Нью Дж. Хим . 31 (4): 473. дои : 10.1039/b618493f .
  6. ^ Перейти обратно: а б Чжан FX, Сюй FF, Мори Т, Лю QL, Сато А, Танака Т (2001). «Кристаллическая структура новых твердых тел, богатых редкоземельными бором: REB28.5C4». J. Сплавы . 329 (1–2): 168–172. дои : 10.1016/S0925-8388(01)01581-X .
  7. ^ Перейти обратно: а б Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 149. ИСБН  978-0-08-037941-8 .
  8. ^ Перейти обратно: а б с Домнич, Владислав; Рейно, Сара; Хабер, Ричард А.; Чховалла, Маниш (2011). «Карбид бора: структура, свойства и стабильность под напряжением» (PDF) . Варенье. Керам. Соц . 94 (11): 3605–3628. дои : 10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x . Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2014 года . Проверено 23 июля 2015 г.
  9. ^ Эктаравонг, А.; Саймак, С.И.; Хультман, Л.; Берч, Дж.; Аллинг, Б. (2014). «Первопринципное исследование конфигурационного беспорядка в B 4 C с использованием метода квазислучайной структуры, специально разработанного для суператома». Физ. Преподобный Б. 90 (2): 024204. arXiv : 1508.07786 . Бибкод : 2014PhRvB..90b4204E . дои : 10.1103/PhysRevB.90.024204 . S2CID   39400050 .
  10. ^ Эктаравонг, А.; Саймак, С.И.; Хультман, Л.; Берч, Дж.; Аллинг, Б. (2015). «Конфигурационный переход порядок-беспорядок, индуцированный переходом металл-неметалл в B 13 C 2, изучен с помощью первопринципного метода квазислучайной структуры суператома». Физ. Преподобный Б. 92 (1): 014202. arXiv : 1508.07848 . Бибкод : 2015PhRvB..92a4202E . дои : 10.1103/PhysRevB.92.014202 . S2CID   11805838 .
  11. ^ Перейти обратно: а б Веймер, с. 330
  12. ^ Сайрам, К.; Сонбер, Дж. К.; Мурти, ЦРЧ.; Субраманиан, К.; Хубли, РЦ; Сури, АК (2012). «Разработка композитов B4C-HfB2 методом реакционного горячего прессования». Международный Дж. Ссылка. Встретил. Жесткий Матер . 35 : 32–40. дои : 10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004 .
  13. ^ Соложенко В.Л.; Куракевич Александр О.; Ле Годек, Янн; Мезуар, Мохамед; Мезуар, Мохамед (2009). «Предельная метастабильная растворимость бора в алмазе: синтез сверхтвердого алмазоподобного BC5» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 102 (1): 015506. Бибкод : 2009PhRvL.102a5506S . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.015506 . ПМИД   19257210 .
  14. ^ «Карбид Бора» . Прецизионная керамика. Архивировано из оригинала 20 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  15. ^ А. Сохансандж; А. М. Хадиан (2012). «Очистка наноразмерного порошка карбида бора, измельченного истиранием». Международный журнал современной физики: серия конференций . 5 : 94–101. Бибкод : 2012IJMPS...5...94S . дои : 10.1142/S2010194512001894 .
  16. ^ Веймер, с. 131
  17. ^ Патнаик, Прадьот (2002). Справочник неорганических химикатов . МакГроу-Хилл. ISBN   0-07-049439-8
  18. ^ Изготовление и оценка уран-глиноземных топливных элементов и выгорающих отравляющих элементов из карбида бора , Висный, Л.Г. и Тейлор, К.М., в «Специальной технической публикации ASTM № 276: Материалы для ядерных применений», сотрудники Комитета E-10, Американское общество по Материалы для испытаний , 1959 год.
  19. ^ Хиггинс, Дж. Б.; Гатти, А. «Получение и свойства непрерывных нитей карбида бора» . Журнал Электрохимического общества . 116 1: 137. дои : 10.1149/1.2411733 . Проверено 28 мая 2024 г.
  20. ^ Роуз, Лиза. «Нить из карбида бора: свойства и применение» . Точная керамика . Проверено 28 мая 2024 г.
  21. ^ «Что такое карбид бора?» . Трунано . 29 июля 2022 г. . Проверено 28 мая 2024 г.

Библиография [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Boron_carbide&oldid=1226168817"