Что такое карбид бора - Разбираемся в карбиде бора

Кристаллическая структура карбида бора

Кристаллическая ячейка B₄C. Зеленая сфера и икосаэдр состоят из атомов бора, а черная сфера — из атомов углерода.

Фрагменты кристаллической структуры карбида бора

Фрагменты кристаллической структуры карбида бора.

Карбид бора имеет сложную кристаллическую структуру, характерную для боридов с центром в пентаэдре. Б₁₂ Октаэдр образует единицу ромбической решетки вокруг цепи CBC в центре элементарной ячейки (пространственная группа: R3m, постоянная решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм), и все атомы углерода соединяют соседние три октаэдра. Б₁₂ Октаэдр и мостиковый углерод образуют плоскость сети, параллельную плоскости c, которая укладывается вдоль оси c, образуя слоистую структуру. Двумя основными структурными единицами решетки являются B.₁₂октаэдр и буква B₆ октаэдр. Из-за небольшого размера B.₆ октаэдр, его нельзя совместить. Напротив, они связываются с соседним B₁₂октаэдры, что ослабляет связь с-плоскости.

Химическую формулу «идеального» карбида бора иногда записывают как B.₁₂С₃, а дефицит углерода карбида бора определяется комбинацией B₁₂С₃и Б₁₂Единицы C, из-за B₁₂ структурное подразделение. Некоторые исследования показали, что один или несколько атомов углерода могут быть встроены в октаэдр бора, что приводит к формулам типа B₁₁CCBC=B4C на стехиометрическом тяжелом конце углерода, но формулы типа B1₂(КББ)=Б₁₄ C на конце, богатом бором. Таким образом, «карбид бора» представляет собой серию соединений разного состава, а не одно соединение. B2 (CBC)=B_6,5 C является распространенным промежуточным соединением, которое приблизительно соответствует обычно встречающемуся соотношению элементов. Согласно расчетам квантовой механики, симметрия кристалла, состоящего из B4C, и неметаллические электрические свойства B₁₃С₂определяются неупорядоченной конфигурацией атомов бора и углерода в разных положениях кристалла.

Физические свойства карбида бора

Плотность карбида бора близка к 2,52 г/см³.

Температура плавления карбида бора составляет 2445°С.

Диапазон твердости карбида бора составляет 2900-3580 кг/мм2 (по Кнупу 100 г).

Вязкость разрушения карбида бора составляет 2,9-3,7 МПам-1/2.

Модуль Юнга карбида бора составляет 450-470 ГПа.

Проводимость карбида бора при 25°С составляет 140 См.

Теплопроводность при 25°С составляет 30-42 Вт/мК.

Захват тепловых нейтронов карбида бора составляет 600 бар.

Химические свойства карбида бора

Карбид бора представляет собой прочное вещество с высокой ударной вязкостью (твердость по шкале Мооса примерно от 9,5 до 9,75), большим поперечным сечением поглощения нейтронов (т. е. высокими показателями защиты от нейтронов) и устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химических веществ. Твердость по Виккерсу (38 ГПа), модуль упругости (460 ГПа) и вязкость разрушения (3,5 МПа).^-1/2) аналогичны алмазам (1150 ГПа и 5,3 МПам).^-1/2).

Карбид бора был признан третьим по твердости материалом в 2015 году, уступая только алмазам и кубическим боранам, и поэтому его называют «черным алмазом».

Карбид бора — полупроводник, в электронных свойствах которого преобладает прыжковый транспорт. Ширина запрещенной зоны определяется как составом, так и степенью порядка. Измеренная ширина запрещенной зоны составляет 2,09 эВ, а спектр фотолюминесценции осложнен несколькими промежуточными состояниями запрещенной зоны.

Реакция карбида бора

Окисление порошка карбида бора начинается при температуре до 250°С в присутствии водяного пара и 450°С в отсутствие водяного пара. Водяной пар удаляет оксиды B₂O₂ с большей скоростью, чем окисление, при температуре ниже 550 Å -600 Å C. B₂O₂ ингибировал окисление H₂O на поверхности B₄C, но не ингибировал окисление на воздухе. Существует линейная зависимость между скоростью и парциальным давлением воды. Энергия активации реакции воды B₄C составляет 11 ккал/моль, а энергия активации реакции воздуха B₄C — 45 ккал/моль. Скорость окисления сухого воздуха медленнее, чем водяного пара, до достижения 700 (при давлении воды 235 мм).

История карбида бора

Карбид бора был обнаружен как побочный продукт реакций боридов металлов в 19 веке, но его химический состав неизвестен. Лишь в 1930-х годах его химический состав был определен как B.₄C. Точное стехиометрическое соотношение этого материала 4:1 до сих пор остается спорным, поскольку в природе в этой формуле все еще немного отсутствует углерод, а рентгеновская кристаллография выявляет его очень сложную структуру со смесью цепей CBC и B.₁₂октаэдры.

Эти характеристики не соответствуют точным характеристикам B.₄ Эмпирическая формула C. Химическую формулу «идеального» карбида бора иногда записывают как B.₁₂С₃, а дефицит углерода карбида бора определяется комбинацией B₁₂С₃и Б₁₂Единицы CBC, из-за B₁₂структурное подразделение.