Il carburo di boro è uno dei materiali tecnici più resistenti disponibili; solo il diamante e il nitruro di boro cubico sono più duri. Con elevata resistenza alla flessione, buona resistenza alla corrosione, e conduttività termica favorevole ad applicazioni come ugelli di sabbiatura e guarnizioni di pompe. La lavorazione della ceramica al carburo di boro può essere sia costosa che dispendiosa in termini di tempo a causa del suo stato verde o biscotto che non mantiene tolleranze strette e si ritira durante la sinterizzazione di circa 20%.
Metodi di produzione
Carburo di boro (B4C) è uno dei materiali più duri conosciuti dall'uomo, vanta una durezza paragonabile al diamante e stabilità termica. Utilizzato in applicazioni in cui è elevata resistenza all'usura, forza con un peso ridotto, o la stabilità termica è cruciale, come la protezione balistica delle piastrelle per armature in ceramica per il personale militare e i veicoli contro gli esplosivi, proiettili, frammenti o altri proiettili – queste caratteristiche rendono B4C un materiale di inestimabile valore.
come realizzare la ceramica al carburo di boro? Tradizionalmente, le parti in carburo di boro completamente denso sono state prodotte utilizzando tecniche di pressatura come la pressatura a caldo o la pressatura isostatica, nonché la sinterizzazione al plasma a scintilla; questi metodi, Tuttavia, presentano diversi inconvenienti, tra cui la complessità geometrica e le restrizioni dimensionali, requisiti in termini di costi delle attrezzature e processi post-sinterizzazione impegnativi come la lavorazione meccanica.
Qui sta il significato dell'invenzione qui descritta: si tratta di un metodo per produrre una ceramica al carburo di boro che unisce i vantaggi del verde, biscotto, o carburo di boro parzialmente sinterizzato con ceramica di carburo di boro lavorata a macchina.
Questo metodo prevede la miscelazione di materie prime miste contenenti un componente amorfo B e C con nanofibre di carbonio in uno stato uniformemente disperso, e sottoporre questa miscela a sintesi e sinterizzazione simultanee utilizzando il metodo SPS. Ciò produce un compatto sinterizzato con un elevato contenuto di B4C e proprietà meccaniche superiori; la sua composizione può essere personalizzata alterando le relative percentuali atomiche di boro e carbonio per diverse caratteristiche prestazionali.
Proprietà
Il carburo di boro B4C è un materiale ceramico ampiamente riconosciuto, si distingue per la sua bassa densità, elevato limite elastico Hugoniot e proprietà di durezza elevatissima. Tuttavia, soffre di scarsa tolleranza ai danni e resistenza che ne limitano le applicazioni in molti campi. Al fine di esaltare tali proprietà fisico-meccaniche, i ricercatori hanno provato ad aggiungere vari additivi per la sinterizzazione tra cui ossidi a base di metalli rari e silicio puro Si [3,6,7] ma questi possono diminuire la temperatura/pressione di sinterizzazione producendo così materiale più denso e alterando negativamente alcune proprietà uniche che rendono B4C eccezionale!
Recentemente, i materiali speciali sono diventati una necessità nell'elettronica avanzata, tecnologie spaziali e informatiche. Questi richiedono un'elevata stabilità termica e una buona resistenza all'abrasione – qualcosa che la ceramica al carburo di boro può soddisfare.
La ceramica al carburo di boro è una delle sostanze più dure conosciute e vanta una resistenza eccezionale, rendendolo ideale per l'uso come abrasivo e per il taglio di leghe metalliche come il titanio, alluminio e acciaio inossidabile. Inoltre, la sua forza ne ha permesso l'utilizzo per la produzione di giubbotti antiproiettile poiché è più leggero dell'armatura in acciaio con maggiore resistenza agli urti; più resistente al calore dell'alluminio in quanto può resistere a temperature superiori 1,800 gradi Celsius per periodi prolungati senza sciogliersi, rendendo questo materiale inestimabile nelle applicazioni militari e nelle versioni ceramiche altamente resilienti che sopportano grandi quantità di stress di quanto l'alluminio possa mai gestire da solo! Infine, le ceramiche al carburo di boro offrono estrema durata e resistenza alle sollecitazioni, con una grande resistenza tra i loro ranghi.
Applicazioni
Il carburo di boro è estremamente duro, materiale durevole in grado di resistere alle alte temperature pur possedendo una grande resistenza all'usura. Utilizzato in molte applicazioni industriali come il taglio, macinazione, applicazioni di lucidatura e lappatura; inoltre costituisce un eccellente materiale abrasivo utilizzato come armatura su attrezzature militari e veicoli come elicotteri che necessitano di protezione dai colpi di proiettili dal basso.
A causa della sua estrema durezza, il carburo di boro può essere estremamente difficile da perforare – ciò presenta particolari problemi quando si realizzano strutture con componenti ceramici realizzati con questo materiale. Gli utensili convenzionali per la perforazione meccanica non riescono a penetrarlo facilmente; potrebbe invece essere necessario utilizzare punte diamantate specializzate per operazioni di perforazione efficienti.
Un approccio per risolvere questo problema prevede l'utilizzo di un inserto in carburo di tungsteno per praticare fori attraverso la ceramica in carburo di boro. Purtroppo, questo approccio è inefficiente e richiede molto tempo; sarebbe quindi preferibile trovare un altro mezzo che dia accesso all'interno senza la necessità di cambiare o rimuovere e sostituire questo componente della struttura ogni volta che si rende necessario sostituire un inserto.
La presente invenzione descrive un metodo per produrre un compatto sinterizzato di ceramica al carburo di boro che contiene nanofibra di carbonio (CNF) distribuito uniformemente su tutta la sua superficie. La ceramica viene creata direttamente sintetizzando e sinterizzando contemporaneamente una miscela amorfa di B e C; i risultati mostrano che uno di questi è compatto con 15% in volume il CNF presenta eccellenti proprietà meccaniche come la resistenza alla flessione (710 MPa), Durezza Vickers (364 GPa), e resistenza alla frattura KIC (7.6 MPa*m1/2).
Vantaggi
Il carburo di boro è un materiale estremamente duro che può essere modellato in varie forme. Vanta una resistenza all'usura e una resistenza alla temperatura superiori, e può anche essere utilizzato come abrasivo nelle frese a getto d'acqua per tagliare metalli e altri materiali. Il carburo di boro ha trovato impiego anche come materiale per le barre di controllo nelle centrali nucleari grazie alla sua capacità di assorbire neutroni di energia termica oltre ad essere insolubile con l'acido nitrico e non influenzato dagli ambienti caldi di acido fluoridrico.
La ceramica al carburo di boro può essere prodotta utilizzando vari processi, compresa la sinterizzazione senza pressione ad alta temperatura (comunemente indicato come sinterizzazione al plasma a scintilla; SPS). Le polveri SPS vengono miscelate con nanofibra di carbonio e sinterizzate in forme dense utilizzando il riscaldamento elettrico a corrente continua pulsata; questo produce ceramiche con elevata resistenza alla flessione su tre punti e resistenza all'abrasione che producono pezzi durevoli e pieghevoli su tre punti di materiale ceramico in carburo di boro.