Boron carbide is one of the toughest engineering materials available; only diamond and cubic boron nitride are harder. With high bending strength, good corrosion resistance, and thermal conductivity favorable to applications like blast nozzles and pump seals. Machining boron carbide ceramic can be both expensive and time consuming due to its green or biscuit state not holding tight tolerances and shrinkage during sintering by about 20%.
Methods of manufacturing
Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials known to man, boasting a hardness rating comparable to diamond and thermal stability. Used in applications where high wear resistance, strength at low weight, or thermal stability is crucial, כגון הגנת אריחי שריון קרמיים בליסטיים לאנשי צבא וכלי רכב מפני חומרי נפץ, כדורים, שברים או קליעים אחרים – מאפיינים אלה הופכים את B4C לחומר בעל ערך רב.
how to make boron carbide ceramic? באופן מסורתי, חלקי בורון קרביד צפופים לחלוטין יוצרו באמצעות טכניקות לחיצה כגון כבישה חמה או כבישה איזוסטטית וכן סינת פלזמה ניצוץ; שיטות אלו, אוּלָם, מגיעים עם מספר חסרונות כולל מורכבות גיאומטרית ומגבלות גודל, דרישות עלויות ציוד כמו גם תהליכים תובעניים לאחר ההלבנה כגון עיבוד שבבי.
כאן טמונה המשמעות של ההמצאה המתוארת כאן: מדובר בשיטה לייצור קרמיקה בורון קרביד המשלבת את היתרונות של ירוק, עוּגִיָה, או בורון קרביד מחוטא חלקית עם קרמיקה בורון קרביד מיוצרת במכונה.
שיטה זו כוללת ערבוב של חומרי גלם מעורבים המכילים רכיב B ו-C אמורפי עם סיבי ננו פחמן במצב מפוזר באופן שווה, והנחת תערובת זו לסינתזה וסינטר בו-זמנית בשיטת SPS. זה מייצר קומפקט סינטר עם תכולת B4C גבוהה ותכונות מכניות מעולות; ניתן להתאים את הרכבו על ידי שינוי האחוזים האטומיים היחסיים של בורון ופחמן עבור מאפייני ביצועים שונים.
נכסים
בורון קרביד B4C הוא חומר קרמי מוכר ברבים, נבדל בצפיפות הנמוכה שלו, גבול אלסטי גבוה של הוגוניוט ותכונות קשיות סופר-גבוהות. אוּלָם, הוא סובל מסבילות ירודה לנזק וחוזק המגבילים את יישומיו בתחומים רבים. על מנת לשפר את התכונות הפיזיקליות-מכניות הללו, researchers have tried adding various sintering additives including oxides based on rare metals as well as pure silicon Si [3,6,7] but these can decrease sintering temperature/pressure thus producing denser denser material while negatively altering some unique properties that make B4C exceptional!
Recently, special materials have become a necessity in advanced electronic, space and computer technologies. These require high thermal stability as well as good abrasion resistance – something boron carbide ceramic can satisfy.
boron carbide ceramic is one of the hardest known substances and boasts exceptional strength, making it ideal for use as an abrasive and for cutting metal alloys such as titanium, aluminum and stainless steel. יֶתֶר עַל כֵּן, החוזק שלו איפשר להשתמש בו לייצור אפוד חסין כדורים מכיוון שהוא קל יותר משריון פלדה עם עמידות גדולה יותר; עמיד יותר בחום מאלומיניום מכיוון שהוא יכול לעמוד בטמפרטורות מעל 1,800 מעלות צלזיוס לתקופות ממושכות ללא נמס, מה שהופך את החומר הזה לבלתי יסולא בפז ביישומים צבאיים ובגרסאות קרמיות עמידות במיוחד העומדות בכמויות גדולות של לחץ ממה שאלומיניום יכול אי פעם להתמודד לבד! לבסוף קרמיקה בורון קרביד מציעה עמידות קיצונית ועמידות בפני מתחים, כאשר חוזק רב הוא בין השורות שלהם.
יישומים
Boron carbide is an extremely hard, חומר עמיד המסוגל לעמוד בטמפרטורות גבוהות תוך עמידות בפני שחיקה. משמש ביישומים תעשייתיים רבים כגון חיתוך, שְׁחִיקָה, polishing and lapping applications; בנוסף הוא מייצר חומר שוחק מצוין המשמש כשריון על ציוד צבאי וכלי רכב כגון מסוקים הזקוקים להגנה מפני פגיעות פגז מלמטה.
בשל קשיחותו המופלגת, קרביד בורון יכול להיות מאתגר ביותר לקדוח דרכו – זה מציג בעיות מיוחדות בעת בניית מבנים עם רכיבים קרמיים עשויים מחומר זה. כלי קידוח מכונות קונבנציונליים אינם יכולים לחדור אליו בקלות; במקום זאת, ייתכן שיהיה צורך להשתמש במקדחי יהלומים מיוחדים במקום לביצוע פעולות קידוח יעילות.
גישה אחת לפתרון בעיה זו כוללת שימוש במוסיף טונגסטן קרביד כדי לקדוח חורים דרך קרמיקת בורון קרביד. לְמַרְבֶּה הַצַעַר, גישה זו היא גם לא יעילה וגם גוזלת זמן; לפיכך יהיה עדיף למצוא אמצעי אחר שיוכל לתת גישה לחלק הפנימי ללא צורך בהחלפה או הסרה והחלפה של רכיב זה של המבנה בכל פעם שיש צורך בהחלפה.
המצאה זו מתארת שיטה לייצור קומפקט מחודד של קרמיקה בורון קרביד המכילה סיבי פחמן ננו (CNF) מופץ באופן אחיד על פני השטח שלו. הקרמיקה נוצרת ישירות על ידי סינתזה וסינטר בו זמנית של תערובת B ו-C אמורפית; תוצאות מראות שאחד כזה קומפקטי עם 15% לפי נפח CNF מציג תכונות מכניות מצוינות כגון חוזק כיפוף (710 MPa), קשיות ויקרס (364 GPa), וקשיחות שבר KIC (7.6 MPa*m1/2).
הטבות
בורון קרביד הוא חומר קשה במיוחד שניתן ליצור בצורות שונות. הוא מתגאה בעמידות בלאי מעולה ובהתנגדות לטמפרטורה, ואף יכול לשמש כחומר שוחק בחותכי סילון מים לחיתוך מתכות וחומרים אחרים. בורון קרביד מצא שימוש גם כחומר מוט בקרה בתחנות כוח גרעיניות בשל יכולתו לספוג נויטרונים של אנרגיה תרמית, כמו גם שאינו מסיס בחומצה חנקתית ואינו מושפע מסביבות חמות של מימן פלואוריד.
ניתן לייצר קרמיקה בורון קרביד בתהליכים שונים, כולל סינטר ללא לחץ בטמפרטורה גבוהה (המכונה בדרך כלל סינטר פלזמה ניצוץ; SPS). אבקות SPS מעורבבות עם ננו-סיבי פחמן ומוסמרות לצורות צפופות באמצעות חימום חשמלי בזרם ישר פועם; זה מניב חוזק כיפוף תלת נקודות גבוה ועמידות בפני שחיקה שמייצרים חתיכות עמידות שלוש נקודות של חומר בורון קרביד קרבי..