Boriumcarbide is een van de sterkste technische materialen die beschikbaar zijn; alleen diamant en kubisch boornitride zijn harder. Met hoge buigsterkte, goede corrosiebestendigheid, en thermische geleidbaarheid die gunstig is voor toepassingen zoals straalsproeiers en pompafdichtingen. Het bewerken van boorcarbidekeramiek kan zowel duur als tijdrovend zijn, omdat de groene of biscuitvorm geen nauwe toleranties kent en de krimp tijdens het sinteren met ongeveer 20%.
Productiemethoden
Boriumcarbide (B4C) is een van de hardste materialen die de mens kent, met een hardheidsgraad vergelijkbaar met die van diamant en thermische stabiliteit. Gebruikt in toepassingen met een hoge slijtvastheid, sterkte bij een laag gewicht, of thermische stabiliteit is cruciaal, zoals ballistische keramische pantsertegels voor militair personeel en voertuigen tegen explosieven, kogels, fragmenten of andere projectielen – deze kenmerken maken B4C tot een materiaal van onschatbare waarde.
hoe boorcarbide keramiek te maken? Traditioneel, volledig dichte boorcarbideonderdelen zijn vervaardigd met behulp van perstechnieken zoals heetpersen of isostatisch persen, evenals vonkplasma-sinteren; deze methoden, Echter, hebben verschillende nadelen, waaronder geometrische complexiteit en maatbeperkingen, vereisten voor apparatuurkosten en veeleisende post-sinterprocessen zoals machinale bewerking.
Hierin ligt de betekenis van de hierin beschreven uitvinding: het betreft een werkwijze voor het vervaardigen van een boorcarbide keramiek die de voordelen van groen combineert, biscuit, of gedeeltelijk gesinterd boorcarbide met machinaal vervaardigd boorcarbide-keramiek.
Deze methode omvat het mengen van gemengde grondstoffen die een amorfe B- en C-component bevatten met koolstofnanovezels in een gelijkmatig verspreide toestand, en het onderwerpen van dit mengsel aan gelijktijdige synthese en sinteren met behulp van de SPS-methode. Dit levert een gesinterde compact op met een hoog B4C-gehalte en superieure mechanische eigenschappen; de samenstelling kan worden aangepast door de relatieve atoompercentages boor en koolstof te wijzigen voor verschillende prestatiekenmerken.
Eigenschappen
Boriumcarbide B4C is een algemeen erkend keramisch materiaal, onderscheidt zich door zijn lage dichtheid, hoge Hugoniot-elastische limiet en superhoge hardheidseigenschappen. Echter, het lijdt aan een slechte schadetolerantie en sterkte, waardoor de toepassingen ervan op veel gebieden worden beperkt. Om deze fysisch-mechanische eigenschappen te verbeteren, onderzoekers hebben geprobeerd verschillende sinteradditieven toe te voegen, waaronder oxiden op basis van zeldzame metalen en puur silicium Si [3,6,7] maar deze kunnen de sintertemperatuur/-druk verlagen, waardoor een dichter en dichter materiaal ontstaat, terwijl een aantal unieke eigenschappen die B4C uitzonderlijk maken negatief worden veranderd!
Onlangs, speciale materialen zijn een noodzaak geworden in de geavanceerde elektronica, ruimtevaart- en computertechnologieën. Deze vereisen een hoge thermische stabiliteit en een goede slijtvastheid – iets waar boorcarbide-keramiek aan kan voldoen.
Boriumcarbide-keramiek is een van de hardste bekende stoffen en beschikt over een uitzonderlijke sterkte, waardoor het ideaal is voor gebruik als schuurmiddel en voor het snijden van metaallegeringen zoals titanium, aluminium en roestvrij staal. Verder, door zijn kracht kan het worden gebruikt voor de productie van kogelvrije vesten, omdat het lichter is dan stalen pantsering en een grotere slagvastheid heeft; hittebestendiger dan aluminium, omdat het bestand is tegen temperaturen boven 1,800 graden Celsius gedurende langere perioden zonder te smelten, waardoor dit materiaal van onschatbare waarde is in militaire toepassingen en zeer veerkrachtige keramische versies die bestand zijn tegen grote hoeveelheden spanning die aluminium ooit alleen aankan! Ten slotte biedt boorcarbide-keramiek extreme duurzaamheid en stressbestendigheid, waarbij grote sterkte tot hun gelederen behoort.
Toepassingen
Boriumcarbide is extreem hard, duurzaam materiaal dat hoge temperaturen kan weerstaan en tegelijkertijd een grote slijtvastheid bezit. Gebruikt in veel industriële toepassingen zoals snijden, slijpen, polijst- en leptoepassingen; bovendien is het een uitstekend schurend materiaal dat wordt gebruikt als pantser op militaire uitrusting en voertuigen zoals helikopters die bescherming nodig hebben tegen granaatinslagen van onderaf.
Vanwege de extreme hardheid, Boriumcarbide kan een enorme uitdaging zijn om doorheen te boren – dit levert bijzondere problemen op bij het bouwen van constructies met keramische componenten gemaakt van dit materiaal. Conventionele boormachines kunnen er niet gemakkelijk doorheen dringen; in plaats daarvan moeten mogelijk gespecialiseerde diamantboren worden gebruikt voor efficiënte boorwerkzaamheden.
Eén benadering voor het oplossen van dit probleem omvat het gebruik van een inzetstuk van wolfraamcarbide om gaten door boorcarbide-keramiek te boren. Helaas, Deze aanpak is zowel inefficiënt als tijdrovend; het zou dus de voorkeur verdienen om een ander middel te vinden dat toegang zou kunnen geven tot het interieur zonder dat dit onderdeel van de structuur hoeft te worden vervangen of verwijderd en vervangen telkens wanneer een inzetstuk moet worden vervangen.
Deze uitvinding beschrijft een werkwijze voor het produceren van een gesinterd compact boorcarbide-keramiek dat koolstofnanovezels bevat (CNF) gelijkmatig over het oppervlak verdeeld. Het keramiek wordt direct gemaakt door gelijktijdig een amorf B- en C-mengsel te synthetiseren en te sinteren; de resultaten laten zien dat zo'n compact met 15% qua volume vertoont CNF uitstekende mechanische eigenschappen zoals buigsterkte (710 MPa), Vickers-hardheid (364 GPa), en breuktaaiheid KIC (7.6 MPa*m1/2).
Voordelen
Boriumcarbide is een extreem hard materiaal dat in verschillende vormen kan worden gevormd. Het beschikt over superieure slijtvastheid en temperatuurbestendigheid, en kan zelfs worden gebruikt als schuurmiddel in waterstraalsnijders om metalen en andere materialen te snijden. Boriumcarbide wordt ook gebruikt als regelstaafmateriaal in kerncentrales vanwege het vermogen om thermische energie-neutronen te absorberen en omdat het onoplosbaar is in salpeterzuur en niet wordt beïnvloed door hete waterstoffluoride-omgevingen..
Boriumcarbide-keramiek kan met behulp van verschillende processen worden geproduceerd, inclusief drukloos sinteren bij hoge temperatuur (gewoonlijk aangeduid als vonkplasma-sinteren; SPS). SPS-poeders worden gemengd met koolstofnanovezels en in dichte vormen gesinterd met behulp van gepulseerde gelijkstroom elektrische verwarming; dit levert keramiek met een hoge driepuntsbuigsterkte en slijtvastheid op die duurzame driepuntsbuigbare stukken keramisch boorcarbidemateriaal produceert.