Cos'è il carburo di boro - Comprendiamo il carburo di boro
Struttura cristallina del carburo di boro
La cella cristallina di B ₄ C. La sfera verde e l'icosaedro sono composti da atomi di boro, mentre la sfera nera è composta da atomi di carbonio.
Frammenti della struttura cristallina del carburo di boro
Frammenti della struttura cristallina del carburo di boro.
Il carburo di boro ha una struttura cristallina complessa, caratteristica dei boruri centrati sul pentaedro. Il B12 l'ottaedro forma un'unità reticolare rombica attorno alla catena CBC al centro della cella unitaria (gruppo spaziale: R3m, costante reticolare: a = 0,56 nm e c = 1,212 nm) e tutti gli atomi di carbonio si uniscono adiacenti a tre ottaedri. Il B12 l'ottaedro e il carbonio a ponte formano un piano di rete parallelo al piano c, che è impilato lungo l'asse c per formare una struttura a strati. Le due unità strutturali fondamentali di un reticolo sono il B12ottaedro e il B6 ottaedro. A causa delle piccole dimensioni del B6 ottaedro, non può essere combinato. Al contrario, si legano all’adiacente B12ottaedro, che indebolisce il legame del piano c.
La formula chimica del carburo di boro "ideale" è talvolta scritta come B12C3, e la carenza di carbonio del carburo di boro è definita dalla combinazione di B12C3e B12Unità C, a causa del B12 unità strutturale. Alcuni studi hanno dimostrato che uno o più atomi di carbonio possono essere incorporati nell'ottaedro di boro, risultando in formule come B11CCBC=B4C all'estremità pesante del carbonio stechiometrico, ma formule come B12(CBB)=B14 C all'estremità ricca di boro. Pertanto, il "carburo di boro" è una serie di composti con composizioni diverse, piuttosto che un singolo composto. B2 (CBC)=B6.5 C è un intermedio comune che si avvicina al rapporto elementare comunemente trovato. Secondo i calcoli della meccanica quantistica, la simmetria del cristallo composto da B4C e le proprietà elettriche non metalliche di B13C2sono determinati dalla configurazione disordinata degli atomi di boro e carbonio in diverse posizioni nel cristallo.
Le proprietà fisiche del carburo di boro
La densità del carburo di boro è prossima a 2,52 g/cm³.
Il punto di fusione del carburo di boro è 2445°C.
La gamma di durezza del carburo di boro è 2900-3580 Kg/mm2 (Knoop 100 g).
La tenacità alla frattura del carburo di boro è 2,9-3,7 MPam-1/2.
Il modulo di Young del carburo di boro è 450-470 GPa
La conduttività del carburo di boro a 25°C è 140 S.
La conducibilità termica a 25°C è 30-42 W/mK
La cattura dei neutroni termici del carburo di boro è di 600 bar.
Proprietà chimiche del carburo di boro
Il carburo di boro è una sostanza tenace con elevata tenacità (durezza Mohs compresa tra circa 9,5 e 9,75), un'ampia sezione trasversale di assorbimento dei neutroni (ovvero elevate prestazioni di schermatura dei neutroni) e resistenza alle radiazioni ionizzanti e alla maggior parte delle sostanze chimiche. La durezza Vickers (38 GPa), il modulo elastico (460 GPa) e la resistenza alla frattura (3,5 MPam-1/2) sono simili a quelli dei diamanti (1150 GPa e 5,3 MPam-1/2).
Il carburo di boro è stato identificato come il terzo materiale più duro nel 2015, secondo solo ai diamanti e ai borani cubici, ed è quindi elogiato come un "diamante nero".
Il carburo di boro è un semiconduttore le cui proprietà elettroniche sono dominate dal trasporto saltellante. Il gap di banda è determinato sia dalla composizione che dal grado di ordine. La misurazione del gap di banda è 2,09 eV e lo spettro della fotoluminescenza è complicato da diversi stati di gap di banda intermedi.
La reazione del carburo di boro
L'ossidazione della polvere di carburo di boro inizia a temperature fino a 250°C in presenza di vapore acqueo e 450°C in assenza di vapore acqueo. Il vapore acqueo rimuove gli ossidi B₂O₂ a una velocità più rapida dell'ossidazione, a temperature inferiori a 550 Å -600 Å C. B₂O₂ ha inibito l'ossidazione dell'H₂O sulla superficie del B₄C, ma non ha inibito l'ossidazione dell'aria. Esiste una relazione lineare tra la velocità e la pressione parziale dell'acqua. L'energia di attivazione della reazione B ₄ C con acqua è di 11 kcal/mol, mentre l'energia di attivazione della reazione B ₄ C con aria è di 45 kcal/mol. Il tasso di ossidazione dell'aria secca è più lento di quello del vapore acqueo prima di raggiungere 700 (per una pressione dell'acqua di 235 mm).
La storia del carburo di boro
Il carburo di boro fu scoperto come sottoprodotto delle reazioni dei boruri metallici nel XIX secolo, ma la sua composizione chimica è sconosciuta. Fu solo negli anni '30 che la sua composizione chimica fu determinata come B4C. Il preciso rapporto stechiometrico 4:1 di questo materiale è ancora controverso, poiché in natura questa formula è ancora leggermente priva di carbonio e la cristallografia a raggi X ne rivela la struttura altamente complessa, con una miscela di catene CBC e B12ottaedro.
Queste caratteristiche non corrispondono esattamente alla B4 Formula empirica C. La formula chimica del carburo di boro "ideale" è talvolta scritta come B12C3, e la carenza di carbonio del carburo di boro è definita dalla combinazione di B12C3e B12Le unità CBC, a causa del B12unità strutturale.