¿Qué es el carburo de boro? Entendamos el carburo de boro.
Estructura cristalina de carburo de boro
La celda cristalina de B₄C. La esfera verde y el icosaedro están compuestos por átomos de boro, mientras que la esfera negra está compuesta por átomos de carbono.
Fragmentos de estructura cristalina de carburo de boro.
Fragmentos de estructura cristalina de carburo de boro.
El carburo de boro tiene una estructura cristalina compleja, que es una característica de los boruros centrados en el pentaedro. El b12 El octaedro forma una unidad de red rómbica alrededor de la cadena CBC en el centro de la celda unitaria (grupo espacial: R3m, constante de red: a = 0,56 nm y c = 1,212 nm), y todos los átomos de carbono forman un puente sobre tres octaedros adyacentes. El b12 El octaedro y el carbono puente forman un plano de red paralelo al plano c, que se apila a lo largo del eje c para formar una estructura en capas. Las dos unidades estructurales básicas de una celosía son la B.12octaedro y la B6 octaedro. Debido al pequeño tamaño de la B6 octaedro, no se puede combinar. Por el contrario, se unen al B adyacente.12octaedros, que debilita la unión del plano c.
La fórmula química del carburo de boro "ideal" a veces se escribe como B12C3, y la deficiencia de carbono del carburo de boro se define por la combinación de B12C3y B12Unidades C, debido a la B12 unidad estructural. Algunos estudios han demostrado que se pueden incrustar uno o más átomos de carbono en el octaedro de boro, lo que da como resultado fórmulas como B11CCBC=B4C en el extremo pesado de carbono estequiométrico, pero fórmulas como B12(CBB)=B14 C en el extremo rico en boro. Por lo tanto, el "carburo de boro" es una serie de compuestos con diferentes composiciones, en lugar de un solo compuesto. B2 (CBC)=B6.5 C es un intermedio común que se aproxima a la proporción elemental comúnmente encontrada. Según cálculos de mecánica cuántica, la simetría del cristal compuesto de B4C y las propiedades eléctricas no metálicas de B13C2están determinadas por la configuración desordenada de los átomos de boro y carbono en diferentes posiciones del cristal.
Las propiedades físicas del carburo de boro.
La densidad del carburo de boro se acerca a los 2,52 g/cm³.
El punto de fusión del carburo de boro es 2445 ° C.
El rango de dureza del carburo de boro es 2900-3580 kg/mm2 (Knoop 100 g).
La tenacidad a la fractura del carburo de boro es de 2,9 a 3,7 MPam-1/2.
El módulo de Young del carburo de boro es 450-470 GPa.
La conductividad del carburo de boro a 25 ° C es 140 S.
La conductividad térmica a 25 °C es de 30-42 W/mK.
La captura de neutrones térmicos del carburo de boro es de 600 bares.
Propiedades químicas del carburo de boro.
El carburo de boro es una sustancia resistente con alta tenacidad (dureza de Mohs de aproximadamente 9,5 a 9,75), una gran sección transversal de absorción de neutrones (es decir, un fuerte rendimiento de blindaje de neutrones) y resistencia a la radiación ionizante y a la mayoría de las sustancias químicas. La dureza Vickers (38 GPa), el módulo elástico (460 GPa) y la tenacidad a la fractura (3,5 MPam-1/2) son similares a los de los diamantes (1150 GPa y 5,3 MPam-1/2).
El carburo de boro fue identificado en 2015 como el tercer material más duro, sólo superado por los diamantes y los boranos cúbicos, por lo que se le elogia como un "diamante negro".
El carburo de boro es un semiconductor cuyas propiedades electrónicas están dominadas por el transporte por salto. La banda prohibida está determinada tanto por la composición como por el grado de orden. La medición de la banda prohibida es de 2,09 eV y el espectro de fotoluminiscencia se complica por varios estados de banda prohibida intermedia.
La reacción del carburo de boro.
La oxidación del polvo de carburo de boro comienza a temperaturas tan bajas como 250 °C en presencia de vapor de agua y 450 °C en ausencia de vapor de agua. El vapor de agua elimina los óxidos de B ₂ O ₂ a un ritmo más rápido que la oxidación, a temperaturas inferiores a 550 Å -600 Å C. B ₂ O ₂ inhibió la oxidación de H ₂ O en la superficie de B ₄ C, pero no inhibió la oxidación del aire. Existe una relación lineal entre la tasa y la presión parcial del agua. La energía de activación de la reacción de agua B ₄ C es de 11 kcal/mol, mientras que la energía de activación de la reacción de aire B ₄ C es de 45 kcal/mol. La tasa de oxidación del aire seco es más lenta que la del vapor de agua antes de alcanzar 700 (para una presión de agua de 235 mm).
La historia del carburo de boro
El carburo de boro se descubrió como subproducto de las reacciones de boruro metálico en el siglo XIX, pero se desconoce su composición química. No fue hasta la década de 1930 que se determinó que su composición química era B4C. La relación estequiométrica precisa de 4:1 de este material sigue siendo controvertida, ya que en la naturaleza esta fórmula todavía carece ligeramente de carbono y la cristalografía de rayos X revela su estructura altamente compleja, con una mezcla de cadenas CBC y B.12octaedro.
Estas características no coinciden exactamente con la B.4 C fórmula empírica. La fórmula química del carburo de boro "ideal" a veces se escribe como B12C3, y la deficiencia de carbono del carburo de boro se define por la combinación de B12C3y B12Unidades CBC, debido a la B12unidad estructural.