Введение
Чрезвычайно твердое керамическое соединение
B4C
chembox
| verifiedrevid = 430790006
| Name = Boron carbide
| ImageFile = File:Boron carbide. JPG
| ImageSize =
| ImageName = Карбид бора
| ImageFile2 =
| ImageSize2 =
| ImageName2 =
| IUPACName = Карбид бора
| OtherNames = Тетрабор
|Section1=
|Section2=Chembox Properties
| Formula = B4C
| MolarMass = 55.255 г/моль
| Appearance = темно-серый или черный порошок, без запаха
| Density = 2.50 г/см3, твердое вещество
| Solubility = нерастворим
| MeltingPtC = 2350
| MeltingPt ref =
а также многочисленные промышленные применения. Обладая твердостью по Викерсу более 30 ГПа, это один из самых твердых известных материалов, уступающий только кубическому нитриду бора и алмазу.
B4C
chembox
| verifiedrevid = 430790006
| Name = Boron carbide
| ImageFile = File:Boron carbide. JPG
| ImageSize =
| ImageName = Boron carbide
| ImageFile2 =
| ImageSize2 =
| ImageName2 =
| IUPACName = Boron carbide
| OtherNames = Tetrabor
|Section1=
|Section2=Chembox Properties
| Formula = B4C
| MolarMass = 55.255 g/mol
| Appearance = dark gray or black powder, odorless
| Density = 2.50 g/cm3, solid. | Solubility = insoluble
| MeltingPtC = 2350
| MeltingPt ref =
as well as numerous industrial applications. With a Vickers hardness of >30 GPa, it is one of the hardest known materials, behind cubic boron nitride and diamond.
История
Карбид бора был обнаружен в XIX веке как побочный продукт реакций с металлическими боридами, но его химическая формула оставалась неизвестной. Лишь в 1930-х годах химический состав был приблизительно определен как B4C. Продолжали существовать споры относительно того, соответствует ли материал именно такой стехиометрии 4:1, поскольку на практике он всегда содержит некоторое количество недостатка углерода по отношению к этой формуле, а рентгеноструктурный анализ показывает, что его структура крайне сложна и состоит из смеси цепей C-B-C и икосаэдров B12. Эти особенности опровергали возможность существования простой и точной эмпирической формулы B4C. В связи с наличием структурного звена B12, химическую формулу "идеального" карбида бора часто записывают не как B4C, а как B12C3, а дефицит углерода в карбиде бора описывают как комбинацию структурных единиц B12C3 и B12CBC.
Кристальная структура
Карбид бора обладает сложной кристаллической структурой, типичной для боридов на основе икосаэдров. В ней икосаэдры B12 формируют ромбоэдрическую элементарную ячейку (пространственная группа: Rm (No. 166), параметры решетки: a = 0,56 нм и c = 1,212 нм), окружающую цепь C-B-C, расположенную в центре ячейки, при этом оба атома углерода соединяют три соседних икосаэдра. Эта структура слоистая: икосаэдры B12 и соединяющие их атомы углерода образуют сетевую плоскость, простирающуюся параллельно плоскости c и укладывающуюся вдоль оси c. Решетка состоит из двух основных структурных единиц – икосаэдра B12 и октаэдра B6. Из-за малого размера октаэдров B6 они не способны соединяться друг с другом. Вместо этого они связываются с икосаэдрами B12 в соседнем слое, что ослабляет прочность связей в плоскости c. Квантово-механические расчеты показали, что конфигурационное неупорядочение атомов бора и углерода в различных позициях кристалла определяет ряд свойств материала, в частности, кристаллическую симметрию состава B4C и неметаллический характер электропроводности состава B13C2.
Свойства
Карбид бора известен как износостойкий материал, обладающий чрезвычайно высокой твердостью (примерно от 9,5 до 9,75 по шкале Мооса), высоким сечением поглощения нейтронов (то есть хорошими защитными свойствами от нейтронов), устойчивостью к ионизирующему излучению и большинству химических веществ. Его твердость по Викерсу (38 ГПа), модуль упругости (460 ГПа) и трещиностойкость (3,5 МПа·м1/2) приближаются к соответствующим значениям для алмаза (1150 ГПа и 5,3 МПа·м1/2). По состоянию на 2015 год карбид бора является третьим по твердости известным веществом после алмаза и кубического нитрида бора, благодаря чему он получил прозвище "черный алмаз".
Ядерные приложения
Способность карбида бора поглощать нейтроны, не образуя долгоживущих радионуклидов, делает его привлекательным материалом для поглощения нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях и от нейтронных бомб, предназначенных для поражения живой силы. К ядерным применениям карбида бора относится радиационная защита.