炭化ホウ素とは - 炭化ホウ素を理解しよう

炭化ホウ素の結晶構造

B ₄ C の結晶セル。緑色の球と二十面体はホウ素原子で構成され、黒色の球は炭素原子で構成されています。

炭化ホウ素の結晶構造の断片

炭化ホウ素の結晶構造の断片。

炭化ホウ素は複雑な結晶構造をしており、五面体を中心としたホウ化物の特徴です。 B₁₂八面体は、単位胞の中心にある CBC 鎖の周りに菱形の格子ユニットを形成し (空間群: R3m、格子定数: a=0.56 nm、c=1.212 nm)、すべての炭素原子が隣接する 3 つの八面体を橋渡しします。 B₁₂八面体と架橋炭素はc面に平行な網目面を形成し、それがc軸に沿って積み重なって層状構造を形成しています。 格子の 2 つの基本構造単位は B です。₁₂八面体とB₆八面体。 Bのサイズが小さいため、₆八面体なので組み合わせることはできません。 逆に、隣接する B に結合します。₁₂八面体、C 面の結合を弱めます。

「理想的な」炭化ホウ素の化学式は B と書かれることもあります。₁₂C₃、炭化ホウ素の炭素欠損は、B の組み合わせによって定義されます。₁₂C₃そしてB₁₂C ユニット、B による₁₂構造単位。 いくつかの研究では、1 つ以上の炭素原子がホウ素八面体に埋め込まれ、B のような式が得られることが示されています。₁₁化学量論的炭素ヘビーエンドでは CCBC=B4C ですが、式は B1 のようなものです₂(CBB)=B₁₄ホウ素リッチ端のC。 したがって、「炭化ホウ素」は単一の化合物ではなく、異なる組成の一連の化合物です。 B2(CBC)=B_6.5 C は、一般的に見られる元素比に近い一般的な中間体です。 量子力学の計算によると、B4C で構成される結晶の対称性と B の非金属電気的特性₁₃C₂結晶内の異なる位置にあるホウ素原子と炭素原子の乱れた配置によって決まります。

炭化ホウ素の物性

炭化ホウ素の密度は 2.52 g/cm 3 に近いです。

炭化ホウ素の融点は2445℃です。

炭化ホウ素の硬度範囲は 2900 ～ 3580Kg/mm2 (ヌープ 100g) です。

炭化ホウ素の破壊靱性は 2.9 ～ 3.7 MPam-1/2 です。

炭化ホウ素のヤング率は 450 ～ 470 GPa です。

炭化ホウ素の25℃における導電率は140Sです。

25℃での熱伝導率は30～42W/mKです

炭化ホウ素の熱中性子捕捉は 600 bar です。

炭化ホウ素の化学的性質

炭化ホウ素は、高い靱性（モース硬度約9.5～9.75）、大きな中性子吸収断面積（強い中性子遮蔽性能）、電離放射線やほとんどの化学物質に対する耐性を備えた強靱な物質です。 ビッカース硬度 (38 GPa)、弾性率 (460 GPa)、破壊靱性 (3.5 MPam)^-1/2) ダイヤモンドのそれと同様です (1150 GPa および 5.3 MPa^-1/2）。

炭化ホウ素は、2015 年にダイヤモンドと立方晶ボランに次いで 3 番目に硬い材料であることが確認され、そのため「黒いダイヤモンド」と称賛されています。

炭化ホウ素は、その電子特性がホッピング輸送によって支配される半導体です。 バンドギャップは、組成と秩序度の両方によって決まります。 バンド ギャップの測定値は 2.09 eV で、フォトルミネッセンス スペクトルはいくつかの中間バンド ギャップ状態によって複雑になります。

炭化ホウ素の反応

炭化ホウ素粉末の酸化は、水蒸気が存在する場合は 250 ℃、水蒸気が存在しない場合は 450 ℃ という低い温度で始まります。 水蒸気は、550 Å ～ 600 Å C 未満の温度で、酸化よりも速い速度で B 2 O 2 酸化物を除去します。B 2 O 2 は、B 4 C 表面上の H 2 O 酸化を抑制しましたが、空気酸化は抑制しませんでした。 水の速度と分圧の間には線形関係があります。 水の B 4 C 反応の活性化エネルギーは 11 kcal/mol ですが、空気の B 4 C 反応の活性化エネルギーは 45 kcal/mol です。 乾燥空気の酸化速度は、700 (水圧 235 mm の場合) に達するまでは水蒸気の酸化速度よりも遅くなります。

炭化ホウ素の歴史

炭化ホウ素は、19 世紀に金属ホウ化物反応の副生成物として発見されましたが、その化学組成は不明です。 その化学組成が B であると判明したのは 1930 年代になってからでした。₄C. この物質の正確な 4:1 の化学量論比については、依然として議論の余地があります。自然界では、この式には炭素がまだわずかに欠けており、X 線結晶学では、CBC 鎖と B が混合した非常に複雑な構造が明らかになっているためです。₁₂八面体。

これらの特性は正確な B と一致しません。₄ Cの経験式。 「理想的な」炭化ホウ素の化学式は B と書かれることもあります。₁₂C₃、炭化ホウ素の炭素欠損は、B の組み合わせによって定義されます。₁₂C₃そしてB₁₂CBC ユニット、B による₁₂構造単位。