Bor Karbür Nedir? (B4C) Nerelerde Kullanılır? Özellikleri

Bor karbür, üstün sertlik, yüksek elastiklik modülü, yüksek termal kararlılık, mükemmel kimyasal kararlılık, çok iyi korozyon direnci, yüksek darbe dayanımı gibi benzer fiziksel, mekaniksel ve kimyasal özelliklere sahip seramik bir malzemedir. Bu özellikler bor karbürü çok çeşitli mühendislik uygulamaları için tercih edilen bir malzeme haline getirmektedir. Bor karbür, yüksek ergime noktası ve termal dengesi nedeniyle refrakter uygulamalarında tercih edilmektedir. Bununla birlikte yüksek aşınma direnci nedeniyle aşındırıcı tozlar ve kaplamalar olarak kullanılır. B₄C yüksek sertliği ve düşük yoğunluğu nedeniyle balistik performansta üstünlük sağlar ve nükleer uygulamalarda yaygın olarak nötron radyasyon emicisi olarak kullanılır.

Bor Karbürün Özellikleri

Özellik	Değer
Yoğunluk	2.52 g/cm3
Rengi	Siyah
Ergime sıcaklığı	2445 °C
Spesifik ısı (j/mol.K)	50,88
Termal genleşme katsayısı	5.73 ppm/°C
Sertlik (Knoop 100g) (kg.mm-2)	2900-3580
Vickers mikrosertliği (Gpa)	31,5
Kırılma tokluğu (Mpa.m-1/2)	2,9-3,2
Elastisite modülü (Gpa)	400-450
Kayma modülü (Gpa)	186,5
Eğme mukavemeti (Mpa) (25°C’de)	345
Çekme Mukavemeti (Mpa)	155
Elektrikel iletkenlik (25°C’de)	345
Termal iletkenlik (W/m. °C)	4,3

Bor Karbür; bor ve karbon bir bileşik olup son derece serttir. Sentetik olarak üretilen bu malzeme yüksek aşınma direnci nedeniye aşındırıcılarda, hafif kompozitlerde ve nükleer güç santrallerinde kontrol rodlarında kullanılmaktadır. Mohs sertliği 9-10 arasındadır ki bu onu bor nitrür ve elmastan sonra bilinen en sert sentetik malzeme yapmaktadır.

Bor karbürün yüksek sıcaklık dayanımı, üst düzey sertlik değeri, yüksek mukavemeti ve düşük yoğunluğu endüstriyel açıdan büyük önem arz etmektedir.
Tüm bu özelliklerinin yanında bor karbürün,

1. Düşük plastisite,
2. Düşük difüzyon katsayısı,
3. Tane sınırı kaymasına yüksek direnci
4. Düşük termodinamik yüzey enerjisi gibi özelliklerinden dolayı sinterlenebilme özelliği düşüktür.

Sinterlenebilme kabiliyetinin arttırılması için üretim esnasında difüzyonu arttıracak ilave katkı maddesine ve ilave basınç uygulanması gerekmektedir.

Bor Karbür Nerelerde Kullanılır?

“Bor karbür kullanım alanları”

Bor karbür toz formunda, sinterleşmiş ürün ve ince film olarak uygulama alanları vardır. Siyah elmas olarak bilinen bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürden sonra en sert üçüncü malzemedir. Bu sıra dışı özelliğinde dolayı metallerin ve seramiklerin parlatılması, düzeltilmesi ve su jeti ile kesilmesi işlemlerinde aşındırıcı toz olarak kullanılır. Düşük özgül kütlesi, yüksek sertliği ve çarpma direnci özelliklerinin birleşimi bor karbüre personel ve araç zırhları için uygun bir malzeme özelliği kazandırır. Bor karbür ince filmi elektronik sanayinde koruyucu kaplama olarak kullanılır. Bor karbür nükleer reaktörlerde, uzun ömürlü çekirdek oluşturmadan nötron absorpsiyonu kabiliyetinden dolayı nötron detektörü, koruyucu kılıf ve kontrol çubuğu olarak geniş kullanım alanı bulur. Bor karbür içeren kompozit malzemeler sahip oldukları termal şok dayanımı ve iyi termal iletkenlik özelliklerinden dolayı nükleer füzyon reaktörlerinde ilk duvar malzemesi olarak kullanıma uygundur. Bor karbür nötron yakalama tedavisi ile kanserin iyileştirilmesinde de kullanılır. Bor karbür bir p-tip yarı iletken olduğundan dolayı yüksek sıcaklıkta çalışan elektronik cihazlarda kullanıma aday bir malzemedir. Yüksek sahip olmasından dolayı mükemmel bir termoelektrik malzemedir. Bor karbür ısıl çift, diyot ve transistor üretiminde yeni uygulama alanı bulmuştur. Refrakterler ve diğer metal borürlerin üretiminde önemli bir bileşendir. Uzay araçlarında kullanılan Be/Be alaşımlarının yerine kullanımda, düşük yoğunluğu, yüksek sertliği ve düşük termal genleşme özelliklerinden dolayı B₄C önemli bir adaydır.

Bor Karbürün Kimyasal Yapısı

Bor karbür, kimyasal olarak bilinen en kararlı bileşiklerdendir. Standart oluşum entalpisi 9,3-17,1 kcal/mol arasındadır. Asit ve bazlarla kolay reaksiyon vermemektedir. Sadece HF-H₂SO₄ ve HF-HNO₃ karışımlarında çok uzun süre kaldığında yavaş hızlarda çözünmektedir. Bunun yanında yüksek ortam sıcaklıkları altında HNO3-H2SO4-HClO4 gibi asitlerde yada tane boyutu nispeten küçük olan tozları nem olarak yüklü oksitlenmektedir. Bu oksitlenmeler neticesinde B₂O₃, HBO₃ veya H₃BO₃ oluşabilmektedir.

Sertlik

Bor karbür bileşiğinin sertlik değeri Vickers cinsinden 32 GPA’dır. Bunun dışında başka maddelerle yaptığı bileşiklerinde ise sertlik değer aralığı Vickers cinsinden 20GPa’dan 78GPa’a kadar değişmektedir. Ayrıca bor karbürün Mohs cinsinden sertlik değeri 9-10 Mohs arasında kabul görmektedir. Elmas ve kübik bor nitrürden sonra gelen B₄C karbür en sert malzemedir.

Aşınma Direnci, Yoğunluk ve Elektriksel Direnç

Bor karbürün sertlik değerinin yüksek olması, yüksek aşınma direncine özelliğine sebep olmaktadır. Elmasın aşınma direnci 0,613, buna mukabil bor karbürün ise 0.422’dir. Yoğunluğu 2,52 g/cm³ olan bu malzeme oda sıcaklığında 0,1-10 ohmxcm elektriksel dirence sahiptir. Ayrıca dda sıcaklığında 10 ohmxcm elektriksel direnci olan saf bor karbürün 1600 °C civarındaki direnci 0,2 ohmxcm değerine düşmektedir.

Bor karbür dünyadaki en kararlı bileşiklerden biri olup asit ve bazlar ile kolay kolay tepkimeye girmez. Bilinen diğer pek çok karbür ve nitrürlerin erimeden doğrudan buharlaşma yoluyla bozulma eğilimi göstermektedir. Ancak bor karbür; 2450C’de eriyerek sıvı faz oluşumu gösteren nadir bileşiklerdendir.

Ticari bor karbürün kompozisyonu B:C=4:1 oranındadır. 1300˚C üzerinde olduğu zaman elmastan daha sert bir maddedir. Bor karbür SiC ve grafitle neredeyse aynı olan düşük ısıl iletkenlik değerine sahip olup diğer seramik malzemelerdeki gibi sıcaklık ile azalmaktadır.