يعد كربيد البورون أحد أصعب المواد الهندسية المتاحة; فقط الماس ونيتريد البورون المكعب هما الأصعب. مع قوة الانحناء العالية, مقاومة جيدة للتآكل, والتوصيل الحراري ملائم لتطبيقات مثل فوهات الانفجار وأختام المضخات. يمكن أن تكون عملية تصنيع سيراميك كربيد البورون باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً نظرًا لحالتها الخضراء أو البسكويتية التي لا تتحمل تفاوتات شديدة والانكماش أثناء التلبيد بحوالي 20%.
طرق التصنيع
كربيد البورون (بي 4 سي) تعتبر من أصلب المواد التي عرفها الإنسان, يتميز بتصنيف صلابة مشابه للماس والثبات الحراري. تستخدم في التطبيقات حيث مقاومة التآكل عالية, القوة في الوزن المنخفض, أو الاستقرار الحراري أمر بالغ الأهمية, مثل بلاط الدروع الخزفية الباليستية لحماية الأفراد العسكريين والمركبات ضد المتفجرات, الرصاص, شظايا أو مقذوفات أخرى – هذه الخصائص تجعل B4C مادة لا تقدر بثمن.
كيفية صنع سيراميك كربيد البورون? تقليديا, تم تصنيع أجزاء كربيد البورون الكثيفة بالكامل باستخدام تقنيات الضغط مثل الضغط الساخن أو الضغط المتوازن بالإضافة إلى تلبيد البلازما الشرارة.; هذه الأساليب, لكن, تأتي مع العديد من العيوب بما في ذلك التعقيد الهندسي وقيود الحجم, متطلبات تكاليف المعدات بالإضافة إلى عمليات ما بعد التلبد مثل التصنيع.
وهنا تكمن أهمية الاختراع الموصوف هنا: يتعلق الأمر بطريقة إنتاج سيراميك كربيد البورون الذي يجمع بين مزايا اللون الأخضر, بسكويت, أو كربيد البورون الملبد جزئيًا مع سيراميك كربيد البورون المُصنع آليًا.
تتضمن هذه الطريقة خلط مواد خام مختلطة تحتوي على مكون B وC غير متبلور مع ألياف الكربون النانوية في حالة مشتتة بالتساوي, وإخضاع هذا الخليط للتوليف والتلبيد المتزامن باستخدام طريقة SPS. وينتج عن ذلك مضغوطًا متكلسًا يحتوي على نسبة عالية من B4C وخصائص ميكانيكية فائقة; يمكن تصميم تركيبته عن طريق تغيير النسب الذرية النسبية للبورون والكربون لخصائص أداء مختلفة.
ملكيات
كربيد البورون B4C هو مادة خزفية معترف بها على نطاق واسع, تتميز بكثافتها المنخفضة, حد مرن عالي من Hugoniot وخصائص صلابة عالية جدًا. لكن, فهو يعاني من ضعف تحمل الضرر وقوته مما يحد من تطبيقاته في العديد من المجالات. من أجل تعزيز هذه الخصائص الفيزيائية والميكانيكية, لقد حاول الباحثون إضافة العديد من إضافات التلبيد بما في ذلك الأكاسيد المعتمدة على المعادن النادرة بالإضافة إلى السيليكون النقي [3,6,7] ولكن هذه يمكن أن تقلل من درجة حرارة/ضغط التلبيد وبالتالي إنتاج مادة أكثر كثافة مع تغيير سلبي لبعض الخصائص الفريدة التي تجعل B4C استثنائيًا!
حديثاً, أصبحت المواد الخاصة ضرورة في مجال الإلكترونيات المتقدمة, تقنيات الفضاء والكمبيوتر. هذه تتطلب ثباتًا حراريًا عاليًا بالإضافة إلى مقاومة جيدة للتآكل – شيء يمكن أن يرضي سيراميك كربيد البورون.
يعتبر سيراميك كربيد البورون أحد أصعب المواد المعروفة ويتميز بقوة استثنائية, مما يجعلها مثالية للاستخدام كمادة كاشطة ولقطع السبائك المعدنية مثل التيتانيوم, الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. بالإضافة إلى, وقد سمحت قوتها باستخدامها في تصنيع السترات المضادة للرصاص لأنها أخف من الدروع الفولاذية وتتميز بمقاومة أكبر للصدمات; أكثر مقاومة للحرارة من الألومنيوم حيث يمكنه تحمل درجات الحرارة الأعلى 1,800 درجة مئوية لفترات طويلة دون ذوبان, مما يجعل هذه المادة لا تقدر بثمن في التطبيقات العسكرية وإصدارات السيراميك عالية المرونة التي تتحمل كميات كبيرة من الضغط أكثر مما يستطيع الألومنيوم تحمله بمفرده.! وأخيرًا، يوفر سيراميك كربيد البورون متانة شديدة ومقاومة للضغط مع وجود قوة كبيرة بين صفوفه.
التطبيقات
كربيد البورون مادة صعبة للغاية, مادة متينة قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية مع مقاومة التآكل الكبيرة. يستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية مثل القطع, طحن, تطبيقات التلميع واللف; بالإضافة إلى ذلك، فهو يصنع مادة كاشطة ممتازة تستخدم كدرع للمعدات والمركبات العسكرية مثل طائرات الهليكوبتر التي تحتاج إلى الحماية من ضربات القذائف من الأسفل.
بسبب صلابته الشديدة, قد يكون من الصعب للغاية الحفر من خلال كربيد البورون – وهذا يمثل مشاكل خاصة عند بناء الهياكل بمكونات خزفية مصنوعة من هذه المادة. لا يمكن لأدوات الحفر الآلية التقليدية اختراقها بسهولة; وبدلاً من ذلك، قد يلزم استخدام تدريبات الماس المتخصصة بدلاً من ذلك لإجراء عمليات حفر فعالة.
تتضمن إحدى الطرق لحل هذه المشكلة استخدام إدراج كربيد التنغستن لحفر ثقوب من خلال سيراميك كربيد البورون. للأسف, هذا النهج غير فعال ويستغرق وقتًا طويلاً; وبالتالي سيكون من الأفضل العثور على وسيلة أخرى يمكن أن تتيح الوصول إلى الجزء الداخلي دون الحاجة إلى تغيير هذا المكون من الهيكل أو إزالته واستبداله في كل مرة تحتاج فيها إحدى الملحقات إلى الاستبدال.
يصف هذا الاختراع طريقة لإنتاج مضغوط متكلس من سيراميك كربيد البورون الذي يحتوي على ألياف الكربون النانوية (كنف) موزعة بشكل موحد على سطحه. يتم إنشاء السيراميك مباشرة عن طريق تصنيع وتلبيد خليط غير متبلور B وC في نفس الوقت; تظهر النتائج أن أحد هذه التعاقدات مع 15% من حيث الحجم، يُظهر CNF خواص ميكانيكية ممتازة مثل قوة الانحناء (710 MPa), صلابة فيكرز (364 المعدل التراكمي), وصلابة الكسر KIC (7.6 ميجا باسكال * م1/2).
فوائد
كربيد البورون مادة صلبة للغاية يمكن تشكيلها في أشكال مختلفة. إنه يتميز بمقاومة التآكل الفائقة ومقاومة درجات الحرارة, ويمكن حتى استخدامها كمادة كاشطة في قواطع المياه النفاثة لقطع المعادن والمواد الأخرى. تم استخدام كربيد البورون أيضًا كمادة لقضبان التحكم في محطات الطاقة النووية نظرًا لقدرته على امتصاص نيوترونات الطاقة الحرارية بالإضافة إلى كونه غير قابل للذوبان مع حمض النيتريك ولا يتأثر ببيئات فلوريد الهيدروجين الساخنة..
يمكن إنتاج سيراميك كربيد البورون باستخدام عمليات مختلفة, بما في ذلك تلبيد الضغط عند درجة حرارة عالية (يشار إليها عادة باسم تلبد شرارة البلازما; الصحة والصحة النباتية). يتم خلط مساحيق SPS مع ألياف الكربون النانوية وتكلس في أشكال كثيفة باستخدام التسخين الكهربائي بالتيار المباشر النبضي; ينتج عن ذلك قوة انحناء عالية ثلاثية النقاط وسيراميك مقاوم للتآكل ينتج قطعًا متينة قابلة للانحناء ثلاثية النقاط من مادة كربيد البورون الخزفية.