Borcarbid | |
Aussehen eines Stückes Borcarbid. | |
Identifizierung | |
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N o CAS | |
N o ECHA | 100,031,907 |
N o EG | 235-111-5 |
N o RTECS | ED7420000 |
PubChem | 123279 |
LÄCHELN |
B12B3C14B2B43 , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / CB4 / c2-1-3 (2) 5 (1) 4 (1) 2 Std. InChIKey: INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N |
Aussehen | Festes Schwarz kristallisierte |
Chemische Eigenschaften | |
Brute Formel |
C B 4 [Isomere] |
Molmasse | 55,255 ± 0,029 g / mol C 21,74%, B 78,26%, |
Physikalische Eigenschaften | |
T ° Fusion | 2350 ° C. |
T ° kochen | > 2.500 ° C. |
Volumenmasse | 2,51 g · cm -3 bis 20 ° C |
Vorsichtsmaßnahmen | |
SGH | |
Warnung H315, H319, H332, H335, P261, P280, P304 + P340, P305 + P351 + P338, P405, P501, H315 : Verursacht Hautreizungen H319 : Verursacht schwere Augenreizung H332 : Gesundheitsschädlich beim Einatmen H335 : Kann die Atemwege reizen P261 : Einatmen von Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol. P280 : Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen. P304 + P340 : Nach dem Einatmen: Das Opfer an die frische Luft bringen und in einer für das Atmen angenehmen Position in Ruhe halten. P305 + P351 + P338 : Wenn in den Augen: Vorsichtig einige Minuten mit Wasser abspülen . Entfernen Sie Kontaktlinsen, wenn das Opfer sie trägt, und sie können leicht entfernt werden. Weiter spülen. P405 : Speicher verschlossen. P501 : Inhalt / Behälter entsorgen ... |
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WHMIS | |
D2B, |
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NFPA 704 | |
1 1 0 | |
Einheiten von SI und STP, sofern nicht anders angegeben. | |
Das Borcarbid ist eine chemische Verbindung der ungefähren Formel B 4 C.. Es ist ein keramischen feuerfeste ultraharte und bei mäßiger Temperatur, sehr resistent gegenüber Oberflächenverschleiß - noch mehr als die Siliziumnitrid Wenn 3 N 4. Die Kohäsion von Borcarbid wird im Wesentlichen durch kovalente Bindungen sichergestellt . Mit einer Härte nahe 9,3 auf der Mohs-Skala und einer Vickers-Härte in der Größenordnung von 38 GPa ist es eines der härtesten bekannten Materialien, härter als Aluminiumoxid. Al 2 O 3und von einer Härte, die mit der von Siliciumcarbid- SiC vergleichbar ist und nur von einer kleinen Anzahl von Materialien wie kubischem Bornitrid und Diamant übertroffen wird . Es ist außerdem besonders chemisch inert und bleibt gegenüber Flusssäure HF und Salpetersäure HNO 3 völlig unempfindlich .heiß; Andererseits wird es von Sauerstoff O 2 angegriffenund Chlor Cl 2oberhalb 1000 ° C . Schließlich übersteigt sein Schmelzpunkt 2300 ° C für eine Dichte von etwa 2,51 g · cm -3 . All diese Eigenschaften machen es zum Beispiel in verwendete Rüstung für Tanks oder die Schutzplatten bestimmten Schutzwestens .
Borcarbid hat die Kristallstruktur typischer komplexer Boride im Ikosaeder . In dieser Struktur B 12 Ikosaederbilde ein rhomboedrische Gitter ( Raumgruppe R 3 m , n o 166, Kristallparameter a = 0,56 nm und c = 1,212 nm ) , um ein C Umgebung - B - C - Kette Das liegt in der Mitte der Einheitszelle , mit den beiden Kohlenstoffatomen , eine Brücke zwischen den drei benachbarten Ikosaedern bilden. Es ist eine geschichtete Struktur: die B 12 Ikosaederund die verbrückenden Kohlenstoffatome bilden ein planares Gitter parallel zur c- Ebene und stapeln sich entlang der c- Achse . Das Netzwerk besteht aus zwei grundlegenden Struktureinheiten: B 12 Ikosaederund Oktaeder B 6. Die geringe Größe der Oktaeder bedeutet, dass sie sich nicht im Netzwerk verbinden können, sodass sie sich an die Ikosaeder binden, wodurch die Stärke der Bindungen in den c- Ebenen verringert wird .
Das Vorhandensein von B 12 IkosaedernTatsache, dass die "ideale" chemische Formel von Borcarbid oft als B 12 C 3 geschrieben wirdeher als B 4 C., so dass das Kohlenstoffdefizit im Vergleich zur Stöchiometrie B 4 C.wird durch eine Kombination von Einheiten B 12 C 3 dargestelltund B 12 C 2. Einige Studien legen die Möglichkeit nahe, ein oder mehrere Kohlenstoffatome in Borikosaeder einzubauen, was zu Formeln im Bereich von (B 11 C) CBC führtoder B 4 C.bis B 12 (CBB)oder B 14 C.von einem Ende der Skala möglicher Stöchiometrien zum anderen. Daher ist "Borcarbid" keine einzelne Verbindung, sondern eine Familie von Substanzen mit verwandten, aber unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen. Ein übliches Zwischenprodukt, das sich einer häufig beobachteten Stöchiometrie nähert, ist B 12 (CBC)oder B 6,5 C.. Quantenberechnungen haben gezeigt , dass die Störung in der Verteilung von Kohlenstoff und Bor - Atom in den verschiedenen Stellen des Kristalls mehrere der Eigenschaften des Materials bestimmt, insbesondere die Symmetrie des B 4 C - Materials.und der nichtmetallische Charakter des Materials B 13 C 2.
Borcarbid ist bekannt für seine Härte , seinen hohen Querschnitt für die Neutronenabsorption und seine Stabilität gegen ionisierende Strahlung und die meisten Chemikalien . Seine Vickers-Härte beträgt 38 GPa , sein Elastizitätsmodul beträgt 460 GPa und seine Zähigkeit beträgt 3,5 MPa · m 1/2 , Werte nähern sich denen von Diamant ( 1150 GPa bzw. 5,3 MPa · m 1/2 ). Das Bornitrid kubisch und Diamant sind die einzigen zwei bekannten Substanzen, die härter als Borcarbid sind.
Andererseits ist Borcarbid ein Halbleiter vom p-Typ (mit einem Überschuss an Löchern ), dessen elektronische Eigenschaften vom Sprungtransport dominiert werden. Die Breite der Bandlücke wird auf 2,09 eV geschätzt , mit mehreren Zwischenstufen, die das Spektrum der Photolumineszenz komplizieren .
Borcarbid wider Oxidation durch Sauerstoff in der Luft nach einer Passivierung Phänomen der Bildung eines Schutzfilmes führt von Bor sesquioxide B 2 O 3. ::
2 B 4 C.+ 7 O 2⟶ 2 CO + 4 B 2 O 3 ;; 2 B 4 C.+ 8 O 2CO 2 CO 2+ 4 B 2 O 3.Die Temperatur spielt eine Schlüsselrolle bei dieser Reaktion aufgrund des Boudouard-Gleichgewichts , das eine hohe Temperatur erfordert, um die Bildung von Kohlenmonoxid CO aus Kohlenstoff in Gegenwart von Kohlendioxid CO 2 zu fördern .. Das Bor Oxyd gebildet wird , ein Feststoff , der bei schmilzt 450 ° C , wenn es kristallisiert , und bei noch niedrigerer Temperatur , wenn es amorph . Seine Verschmelzung verhindert das Eindringen von Sauerstoff in das Material, wodurch die Ausbreitung der Oxidation blockiert wird. Bei Oberflächenverschleißbeständigkeitsanwendungen werden jedoch häufig viel höhere Temperaturen erreicht, was die Viskosität von Borsesquioxid stark verringert . Unter diesen Bedingungen kann Luftsauerstoff leichter durch den B 2 O 3 -Film diffundieren .und oxidieren das Innere des Materials.
Andere konkurrierende Keramiken wie Siliziumnitrid Si 3 N 4und Siliciumcarbid- SiC sind widerstandsfähiger gegen heiße Oxidation, da sie durch einen Film aus Siliciumdioxid- SiO 2 geschützt sind, dessen Viskosität bei hoher Temperatur höher bleibt, was die Diffusion von Sauerstoff innerhalb der Materialien begrenzt.
Es ist möglich, Borcarbid in Form von groben Kristallen aus Kohlenstoff und Borsesquioxid B 2 O 3 zu erhaltenin einem elektrischen Ofen bei 2.400 ° C über dem Schmelzpunkt von B 4 C. ::
2 B 2 O 3+ 7 C ⟶ B 4 C.+ 6 CO .Es ist auch möglich, Borcarbid in Pulverform durch Reduktion von Borsesquioxid mit Magnesium in Gegenwart von Kohlenstoff in einem Graphittiegel zu erhalten , wobei die hergestellten Magnesiumverbindungen durch Behandlung mit Säure entfernt werden:
2 B 2 O 3+ 6 Mg + C ⟶ B 4 C.+ 6 MgO .Borcarbid hat verschiedene Arten von Anwendungen. Seine Härte , Zähigkeit und Dichte machen es zu einem weit verbreiteten Material für Rüstungen , beispielsweise für Kampfpanzer oder in Form von Platten in kugelsicheren Westen . Es wird auch als Schleifmittel beim Sandstrahlen verwendet . Sein Querschnitt zur Absorption von Neutronen ohne Bildung von Radionukliden mit langer Lebensdauer macht es zu einem Neutronengift, das in Steuerstäben für Kernkraftwerke weit verbreitet ist . Bei dieser Verwendung wird es häufig in Pulverform verwendet , um die Oberfläche des Materials zu maximieren.
Anekdotischer wurde Borcarbid als Element einer pyrotechnischen Vorrichtung untersucht , die in Verbindung mit Tris (2,2,2-trinitroethyl) borat ein intensives grünes Licht erzeugen kann. Dies wurde 2014 von einem US-amerikanischen Forschungslabor für Sprengstoffe vorgeschlagen. Es könnte die Produkte auf Bariumbasis ersetzen, die es übertrifft, auch bei Feuerwerkskörpern .