Bor karbür (B4C), çok sert bir bor-karbonseramik ve kovalent malzemedir. Madde tank zırhı, kurşun geçirmez yelekler, motor sabotaj tozlarının içinde olduğu çok sayıda endüstriyel uygulama alanına sahiptir.[1]Vickers sertliği 30 GPa'dan fazla olan bor karbür, kübik bor nitrür ve elmasın ardından bilinen en sert malzemelerden biridir.[2] 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, 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.[5] 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.[6] 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.
Kristal yapı
B4C'nin birim hücresi. Yeşil küre ve icosahedra bor atomlarından oluşur ve siyah küreler karbon atomlarıdır.[7] B4C kristal yapısının parçası.
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.[7]
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.[6] 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) = B6.5C'dir.[8] Kuantum mekanik hesaplamalar, kristaldeki farklı konumlardaki bor ve karbon atomları arasındaki konfigürasyon bozukluğunun, özellikle B4C bileşiminin kristal simetrisi[9] ve B13C2 bileşiminin metalik olmayan elektriksel karakteri gibi birçok malzeme özelliğini belirlediğini göstermiştir.[10]
Özellikler
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.[11]Vickers sertliği (38 GPa), Elastik Katsayı (460 GPa)[12] ve kırılma tokluğu (3,5 MPa.m 1/2) elmas için karşılık gelen değerlere (1150 GPa ve 5.3 MPa.m 1/2) yaklaşır.[13]
Bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürden sonra bilinen en sert üçüncü maddedir ve bu, ona "kara elmas" takma adını kazandırmıştır.[14][15]
Yarı iletken özellikler
Bor karbür, atlamalı tip taşımanın hakim olduğu elektronik özelliklere sahip bir yarı iletkendir.[8] 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.[8] Malzeme tipik olarak p-tipidir.
Hazırlık
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:[16] 2 B2Ö3 + 7 C → B4C + 6 CO
Magnezyum kullanılırsa, reaksiyon bir grafit potada gerçekleştirilebilir ve magnezyum yan ürünleri asitle işlenerek çıkarılır.[17]
Birleşik Krallık Atom Enerjisi Araştırma Kurumundaki nötron deneylerinde kalkan olarak kullanılan bor karbür ile gömülü plastik
Bor karbürün uzun ömürlü radyonüklidler oluşturmadan nötronları soğurma yeteneği, onu nükleer santrallerde[18] ve anti-personel nötron bombalarından kaynaklanan nötron radyasyonu için bir emici olarak çekici kılmaktadır. Bor karbürün nükleer uygulamaları ekranlamayı içerir.[11]
^Ektarawong (2014). "First-principles study of configurational disorder in B4C using a superatom-special quasirandom structure method". Phys. Rev. B. 90 (2): 024204. arXiv:1508.07786 $2. doi:10.1103/PhysRevB.90.024204.
^Ektarawong (2015). "Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B13C2 studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method". Phys. Rev. B. 92 (1): 014202. arXiv:1508.07848 $2. doi:10.1103/PhysRevB.92.014202.
^Sairam (2012). "Development of B4C-HfB2 composites by reaction hot pressing". Int.J. Ref. Met. Hard Mater. 35: 32-40. doi:10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004.
