كربيد البورون – B4C

في الكيمياء هناك ما يعرف بمركب كربيد البورون ويمتلك الصيغة الكيميائية التالية (B4C) وهو عبارة عن مادة صلبة للغاية مكونة من عنصر البورون وعنصر الكربون وتدخل في كلا من السيراميك، بالإضافة إلى المواد التساهمية التي تستعمل في دروع الدبابات، والسترات الواقية من الرصاص بالإضافة إلى مساحيق تخريب المحرك، وأيضا في العديد من التطبيقات الصناعية، كما أنها تمتلك صلابة فيكرز> 30 جيجا باسكال، وهي تعد واحدة من أصعب المواد المعروفة، بعد مكعب نيتريد البورون والألماس.

كربيد البورون

• إن مركب كربيد البورون (B4C) عبارة عن مركب بلوري من البورون والكربون، وهي عبارة عن مادة شديدة الصلابة منتجة صناعياً وتُستخدم في المنتجات الكاشطة والمقاومة للاهتراء، بالإضافة إلى المواد المركبة خفيفة الوزن، وفي قضبان التحكم من أجل توليد الطاقة النووية.

• مع صلابة موس بين 9 و 10 فإنه يعتبر مركب كربيد البورون من أصعب المواد الاصطناعية المعروفة، حيث أنه يتم تجاوزها فقط بواسطة مكعب نيتريد البورون والماس، وكمادة كاشطة حيث يتم استخدامها في شكل مسحوق في اللف (كشط ناعم) للمنتجات المعدنية والسيراميك.

• على الرغم من أن درجة حرارة الأكسدة المنخفضة التي تبلغ 400-500 درجة مئوية (750-930 درجة فهرنهايت) تجعلها غير قادرة على تحمل حرارة الطحن، ونظرًا لصلابته إلى جانب كثافته المنخفضة جدًا فقد وجد تطبيقًا كعامل تقوية للألمنيوم في الدروع العسكرية والدراجات عالية الأداء  كما أنه قد تسببت مقاومته للتآكل في استخدامه في فوهات السفع الرملي وأختام المضخات.

• يستخدم كربيد البورون كممتص للنيوترونات في شكل مسحوق أو صلب للتحكم في معدل الانشطار في المفاعلات النووية، في الحقيقة فإنه يتم إنتاج كربيد البورون عن طريق عملية اختزال أكسيد البورون بالكربون في درجات حرارة عالية في فرن كهربائي، وبعد الطحن يتجمد المسحوق الأسود بالضغط عند درجات حرارة تتجاوز 2000 درجة مئوية (3630 درجة فهرنهايت)، علما أنه تبلغ درجة انصهارها حوالي 2350 درجة مئوية (4260 درجة فهرنهايت).

• لقد تم تصنيع كربيد البورون لأول مرة بواسطة هنري مويسان في عام 1899 ميلادي من خلال اختزال ثالث أكسيد البورون إما بالكربون أو المغنيسيوم في وجود الكربون في فرن القوس الكهربائي، وفي حالة الكربون فإنه يحدث التفاعل عند درجات حرارة أعلى من نقطة انصهار (B4C) كما ويصاحبها تحرير كمية كبيرة من أول أكسيد الكربون كما في المعادلة التالية:

2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

• إذا تم استخدام المغنيسيوم، فإنه يمكن إجراء التفاعل في بوتقة الجرافيت، حيث تتم إزالة المنتجات الثانوية للمغنيسيوم من خلال المعالجة بالحمض.

• يتميز مركب كربيد البورون بمزيج فريد من الخصائص التي تجعله مادة مفضلة لمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية، حيث أنه يستخدم كربيد البورون في التطبيقات المقاومة للحرارة بسبب درجة انصهاره العالية واستقراره الحراري، كما ويتم استخدامه كمساحيق وطلاء كاشطة بسبب مقاومته الشديدة للتآكل.

• في الواقع يتفوق في الأداء الباليستي بسبب صلابته العالية وكثافته المنخفضة، ويستخدم بشكل شائع في التطبيقات النووية كممتص للإشعاع النيوتروني، وبالإضافة إلى ذلك فإن كربيد البورون عبارة عن مادة شبه موصلة ذات درجة حرارة عالية يمكن استخدامها في تطبيقات إلكترونية جديدة.

• في كل هذه التطبيقات التي تتطلب مكونًا هندسيًا عالي الدقة، من المهم التعرف على صعوبات تصنيع كربيد البورون، وعلى الرغم من قيم الصلابة العالية التي تعرضها، فهي مع ذلك مادة هشة نسبيًا ولا يمكن تشكيلها إلا باستخدام تقنيات طحن الماس.

• وبالتالي، من المفيد أن يقوم المشغل الماهر وذوي الخبرة بإجراء عمليات المعالجة، حيث يمكن أن تؤدي الإجراءات غير الصحيحة إلى تلف تحت السطح وتشققات دقيقة قد تؤدي إلى فشل مبكر بمجرد تعرض المكون لضغوط التشغيل في الخدمة.

• من الصعب تلبيد كربيد البورون النقي بكثافات عالية وتتطلب عملية التلبيد استخدام مساعدات التلبيد، ولتحقيق كثافة أكبر من 95٪ من الكثافة النظرية، يلزم الضغط على الساخن أو التلبيد (HIPing)، ولكن حتى باستخدام هذه العمليات، فإنه يلزم وجود كميات صغيرة من المنشطات مثل الكربون الناعم أو كربيد السيليكون لتحقيق التكثيف الكامل.

الخصائص الرئيسية لكربيد البورون

• تجعل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمركب كربيد البورون مثاليا لعدد من الاستخدامات الصناعية، كما وتشمل هذه كلا من الصلابة العالية، ونقطة انصهار عالية ومعامل عالية يونغ (مادة شديدة الصلابة)، بالإضافة إلى تمدد وتوصيل حراري منخفضان نسبيًا

• ومع ذلك، فإن أحد عيوب مركب كربيد البورون هو أنه يبدأ في التأكسد عند درجة حرارة أعلى من 500 درجة مئوية على عكس كربيد السيليكون، حيث يؤدي تكوين طبقة أكسيد من ثاني أكسيد السيليكون إلى تأخير الأكسدة بدرجة حرارة عالية، وبالإضافة إلى ذلك نظرًا للتوصيل الحراري المنخفض نسبيًا لكربيد البورون، فإنه يعرض مقاومة ضعيفة للصدمات الحرارية.

• وسيتم توضيح بعض من خصائص هذا المركب كما هو موضح في الجدول أدناه:

التطبيقات الرئيسية لكربيد البورون

• إن الخصائص الرئيسية لمركب كربيد البورون، والتي تهم المصمم أو المهندس، هي الصلابة ومقاومة التآكل الكاشطة ذات الصلة، ومن الأمثلة النموذجية على الاستخدام الأمثل لهذه الخصائص في مجال السفع الكاشطة والقطع بنفث الماء، حيث أنه تُستخدم فوهات بورون كربيد من أجل أن تحمل نظام التآكل القاسي الناتج عن وسائط التفجير مثل الألومينا أو كربيد السيليكون والطين، كما وقد أظهرت العديد من الاختبارات أنه في ظل ظروف التفجير المماثلة، فإن فوهة كربيد البورون سوف تصمد أمام المعدن الصلب النموذجي، وهو فوهة كربيد التنجستن بمعامل 100.

• تؤدي هذه الصفات أيضًا إلى أن يتم استخدام كربيد البورون في قوالب الأدوات عالية الدقة والمكونات الهندسية المماثلة، ولقد تم العثور على بورون كاربيد أيضًا في الطلاء المضاد للدروع الباليستية الشخصية والمركبات، حيث يكون الجمع بين الكثافة المنخفضة ومعامل يونغ العالي من الصفات الجذابة، مما يوفر قوة إيقاف محددة عالية لهزيمة المقذوفات عالية السرعة.

• في المجال النووي، تجعل قدرة البورون كاربيد على امتصاص النيوترونات مادة شائعة لامتصاص الإشعاع النيوتروني في محطات الطاقة النووية، يستخدم كربيد البورون للحماية، كقضيب تحكم في المفاعل النووي وككريات مغلقة في محطة للطاقة النووية.

• مركب كربيد البورون والمعروف أيضًا باسم الماس الأسود هو ثالث أصعب مادة بعد الماس ونتريد البورون المكعب، وهو عبارة عن مادة مناسبة للعديد من التطبيقات عالية الأداء نظرًا لمزيجها الجذاب من الخصائص، من ناحية صلابته الفائقة التي تجعله مسحوق جلخ مناسب للالتفاف والتلميع والقطع بالماء النفاث للمعادن والسيراميك.

• إن عملية الجمع بين الوزن النوعي المنخفض والصلابة العالية والمتانة المعقولة يجعلها مادة مناسبة للدروع الواقية للهيكل والمركبة، ويستخدم كربيد البورون أيضًا على نطاق واسع كقضبان تحكم ومواد واقية وككاشف للنيوترونات في المفاعلات النووية نظرًا لقدرته على امتصاص النيوترونات دون تكوين النويدات المشعة طويلة العمر.

• ونظرًا لأن هذا المركب يعد من أشباه الموصلات من النوع p، فإنه من الممكن أن يكون مركب كربيد البورون مادة مرشحة مناسبة للأجهزة الإلكترونية التي يمكن تشغيلها في درجات حرارة عالية، علما أن مركب كربيد البورون هو أيضًا مادة حرارية ممتازة من النوع p.