โบรอนคาร์ไบด์คืออะไร - มาทำความเข้าใจกับโบรอนคาร์ไบด์กันดีกว่า

โครงสร้างผลึกโบรอนคาร์ไบด์

เซลล์ผลึกของ B ₄ C ทรงกลมสีเขียวและไอโคซาฮีดรอนประกอบด้วยอะตอมของโบรอน ในขณะที่ทรงกลมสีดำประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน

ชิ้นส่วนของโครงสร้างผลึกโบรอนคาร์ไบด์

ชิ้นส่วนของโครงสร้างผลึกโบรอนคาร์ไบด์

โบรอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างผลึกที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นลักษณะของบอไรด์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่เพนทาฮีดรอน บี₁₂ ทรงแปดหน้าก่อตัวเป็นหน่วยตาข่ายขนมเปียกปูนรอบๆ สายโซ่ CBC ที่ศูนย์กลางของเซลล์หน่วย (กลุ่มอวกาศ: R3m, ค่าคงที่ของโครงตาข่าย: a=0.56 นาโนเมตร และ c=1.212 นาโนเมตร) และอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดเชื่อมอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกันสามทรงแปดหน้า บี₁₂ แปดหน้าและคาร์บอนเชื่อมทำให้เกิดระนาบเครือข่ายขนานกับระนาบ c ซึ่งซ้อนกันไปตามแกน c เพื่อสร้างโครงสร้างแบบชั้น หน่วยโครงสร้างพื้นฐานสองหน่วยของขัดแตะคือ B₁₂ทรงแปดหน้าและ B₆ แปดหน้า เนื่องจากขนาดที่เล็กของ B₆ แปดหน้าก็ไม่สามารถรวมกันได้ ในทางตรงกันข้าม พวกมันผูกกับบีที่อยู่ติดกัน₁₂octahedra ซึ่งทำให้พันธะของระนาบซีอ่อนลง

สูตรทางเคมีของโบรอนคาร์ไบด์ "อุดมคติ" บางครั้งเขียนเป็น B₁₂ค₃และการขาดคาร์บอนของโบรอนคาร์ไบด์ถูกกำหนดโดยการรวมกันของ B₁₂ค₃และบี₁₂หน่วย C เนื่องจาก B₁₂ หน่วยโครงสร้าง การศึกษาบางชิ้นแสดงให้เห็นว่าอะตอมของคาร์บอนตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไปสามารถฝังอยู่ในทรงแปดหน้าของโบรอนได้ ส่งผลให้ได้สูตรเช่น B₁₁CCBC=B4C ที่ส่วนปลายปริมาณคาร์บอนหนักปริมาณสัมพันธ์ แต่มีสูตรเช่น B1₂(CBB)=ข₁₄ C ที่ปลายรวยโบรอน ดังนั้น "โบรอนคาร์ไบด์" จึงเป็นชุดของสารประกอบที่มีองค์ประกอบต่างกัน แทนที่จะเป็นสารประกอบเดี่ยว B2 (CBC)=ข_6.5 C เป็นตัวกลางทั่วไปที่ประมาณอัตราส่วนองค์ประกอบที่พบโดยทั่วไป ตามการคำนวณกลศาสตร์ควอนตัม ความสมมาตรของคริสตัลที่ประกอบด้วย B4C และคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ไม่ใช่โลหะของ B₁₃ค₂ถูกกำหนดโดยโครงร่างที่ไม่เป็นระเบียบของอะตอมของโบรอนและคาร์บอนที่ตำแหน่งต่างๆ ในคริสตัล

คุณสมบัติทางกายภาพของโบรอนคาร์ไบด์

ความหนาแน่นของโบรอนคาร์ไบด์อยู่ใกล้กับ 2.52 g/cm ³

จุดหลอมเหลวของโบรอนคาร์ไบด์คือ 2445 ° C

ช่วงความแข็งของโบรอนคาร์ไบด์คือ 2900-3580Kg/mm2 (Knoop 100g)

ความเหนียวแตกหักของโบรอนคาร์ไบด์คือ 2.9-3.7 MPam-1/2

โมดูลัสโบรอนคาร์ไบด์ของ Young คือ 450-470 GPa

ค่าการนำไฟฟ้าของโบรอนคาร์ไบด์ที่ 25 ° C คือ 140 S

ค่าการนำความร้อนที่ 25 ° C อยู่ที่ 30-42 W/mK

การจับนิวตรอนความร้อนของโบรอนคาร์ไบด์คือ 600 บาร์

คุณสมบัติทางเคมีของโบรอนคาร์ไบด์

โบรอนคาร์ไบด์เป็นสารแข็งที่มีความเหนียวสูง (ความแข็ง Mohs ประมาณ 9.5 ถึง 9.75) หน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอนขนาดใหญ่ (เช่น ประสิทธิภาพการป้องกันนิวตรอนที่แข็งแกร่ง) และความต้านทานต่อรังสีไอออไนซ์และสารเคมีส่วนใหญ่ ความแข็งของวิกเกอร์ส (38 GPa) โมดูลัสยืดหยุ่น (460 GPa) และความเหนียวแตกหัก (3.5 MPam^-1/2) มีความคล้ายคลึงกับเพชร (1150 GPa และ 5.3 MPam^-1/2-

โบรอนคาร์ไบด์ถูกระบุว่าเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดเป็นอันดับสามในปี 2015 รองจากเพชรและลูกบาศก์โบรานเท่านั้น และได้รับการยกย่องว่าเป็น "เพชรสีดำ"

โบรอนคาร์ไบด์เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์โดยการขนส่งแบบกระโดด ช่องว่างของแถบความถี่ถูกกำหนดโดยทั้งองค์ประกอบและระดับของลำดับ การวัดช่องว่างของแถบความถี่คือ 2.09 eV และสเปกตรัมโฟโตลูมิเนสเซนซ์มีความซับซ้อนเนื่องจากสถานะช่องว่างของแถบความถี่ระดับกลางหลายสถานะ

ปฏิกิริยาของโบรอนคาร์ไบด์

การออกซิเดชันของผงโบรอนคาร์ไบด์เริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำถึง 250°C เมื่อมีไอน้ำ และ 450°C ในกรณีที่ไม่มีไอน้ำ ไอน้ำจะกำจัด B ₂ O ₂ ออกไซด์ในอัตราที่เร็วกว่าการออกซิเดชัน ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 550 Å -600 Å C B ₂ O ₂ ยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของ H ₂ O บนพื้นผิว B ₄ C แต่ไม่ได้ยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของอากาศ มีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างอัตราและแรงดันย่อยของน้ำ พลังงานกระตุ้นการทำงานของปฏิกิริยาของน้ำ B ₄ C คือ 11 กิโลแคลอรี/โมล ในขณะที่พลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาของอากาศ B ₄ C คือ 45 กิโลแคลอรี/โมล อัตราออกซิเดชันของอากาศแห้งช้ากว่าไอน้ำก่อนถึง 700 (สำหรับแรงดันน้ำ 235 มม.)

ประวัติความเป็นมาของโบรอนคาร์ไบด์

โบรอนคาร์ไบด์ถูกค้นพบว่าเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาโลหะโบไรด์ในศตวรรษที่ 19 แต่ยังไม่ทราบองค์ประกอบทางเคมีของโบรอน จนกระทั่งช่วงทศวรรษที่ 1930 องค์ประกอบทางเคมีของมันถูกกำหนดให้เป็น B₄C. อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ 4:1 ที่แม่นยำของวัสดุนี้ยังคงเป็นข้อโต้แย้ง เนื่องจากโดยธรรมชาติแล้ว สูตรนี้ยังขาดคาร์บอนอยู่เล็กน้อย และการเอ็กซ์เรย์ผลึกศาสตร์เผยให้เห็นโครงสร้างที่ซับซ้อนสูง โดยมีส่วนผสมของโซ่ CBC และ B₁₂แปดด้าน

ลักษณะเหล่านี้ไม่ตรงกับข้อ B₄ สูตรเชิงประจักษ์ C สูตรทางเคมีของโบรอนคาร์ไบด์ "อุดมคติ" บางครั้งเขียนเป็น B₁₂ค₃และการขาดคาร์บอนของโบรอนคาร์ไบด์ถูกกำหนดโดยการรวมกันของ B₁₂ค₃และบี₁₂หน่วย CBC เนื่องจาก B₁₂หน่วยโครงสร้าง