Матеріали на основі бору, карбіду бору та бориду

МАТЕРІА́ЛИ НА ОСНО́ВІ БО́РУ, КАРБІ́ДУ БО́РУ ТА БОРИ́ДУ Бор (хім. символ В, атом. номер 5) — перший і найлегший хім. елемент третьої групи періодич. системи Д. Менделєєва, в природі у вільному вигляді не виявлено. Його відкрили 1808 франц. хіміки Ж.-Л. Ґей-Люссак і Л.-Ж. Тенар, а також незалежно від них англ. хімік Г. Деві, однак про відкриття нового елемента він повідомив на 9 днів пізніше. Вміст В у земній корі становить 0,0003 %. Природ. В з атом. масою 10,811 складається з двох стабіл. ізотопів ¹⁰B (19,57 %) та ¹¹В (80,43 %). 1 см³ кристаліч. бору вміщує 1,48·1023 атом. ядер (нуклідів). Під час опромінення тепловими (повіл.) нейтронами нуклід ¹⁰B захоплює їх, що спричиняє ядерну реакцію розпаду ядра бору ¹⁰B на ядро ізотопу літію ⁷Li та α-частинку (ядро ізотопу гелію ⁴He). Завдяки цим властивостям створ. матеріали з високим його вмістом для регулювання потужності й аварій. зупинки атом. реакторів, а також біол. захисту персоналу, який обслуговує цей реактор, від ядер. опромінень. Фіз.-хім. властивості елементар. бору залежать від чистоти продукту, яка пов’язана зі способом його отримання. Бор утворює виблискуючі прозорі високотверді кристали. Найчистіші зразки як аморф., так і полікристаліч. В мають чорний колір. У тех. порошку аморф. В — коричн. колір, що зумовлено наявністю субоксидів і домішок. Бор — напівпровідник із шир. забороненої зони 1,55 еВ. При кімнат. т-рі для нього характерна електронна провідність, при високих т-рах переважає діркова. Борні волокна діаметром бл. 1–100 мкм і довж. 10–500 мкм застосовують для зміцнення Al, Mg, Ti та їхніх сплавів. Межа міцності цих матеріалів становить 3500–25 000 МПа і для вусів наближається до теор. міцності (0,1–0,17Е, де Е — модуль пружності 400 ГПа) при густині 1,6–2,6 г/см³, що забезпечує композиц. матеріалам високі питому міцність та модуль пружності (жорсткість). Такі композити застосовуються в авіа-, ракето-, кораблебудуванні та багатьох ін. галузях техніки. При об’єм. частці борних волокон 50 % міцність композиту з алюм. матрицею зростає в 4–5 разів і становить 1100–1400 МПа, модуль пружності змінюється від 70 ГПа для чистого Al до 200 ГПа для композитів. Вищих значень мех. характеристик армов. композиц. матеріалів досягають у разі застосування сплавів Al або ін. металів як матрич. фази. Композити виготовляють із застосуванням методів порошк. металургії, ливар. виробництва, оброб­лення тиском, а також із ви- користанням хім. і електрохім. процесів для заповнення порожнеч між волокнами матрич. фазою. Бор при високотемператур. (понад 1800 °С) взаємодії з С утворює карбіди В₁₃С₂ і В₄С, з N — нітрид бору BN. Із металами B утворює бориди — сполуки зі змішаним металевим і ковалент. (як у алмазі та кремнії) хім. зв’язком. Неметалеві тугоплавкі сполуки B (В₄С, B₄Si_, B₆Si) переважно проявляють ковалент. тип міжатом. хім. зв’язку та напівпровідник. властивості. BN має діелектр. властивості в широкому інтервалі т-р і є одним із найкращих високотемператур. ізоляторів електр. струму. В₄С має низьку густину (2,52 г/см³), за твердістю поступається лише алмазу та алмазоподіб. структурам BN. Легування В4С металами, зокрема й Ti, дозволяє підвищити його твердість. Додавання 0,1 % (мас.) Ti до В₄С підвищує мікротвердість до 62–64 ГПа, а 5 % (мас.) — до 70–73,5 ГПа. При цьому істотно знижується крихкість. Завдяки поєднанню низької густини, високих значень твердості та модулю пружності, що становить 460 ГПа, з карбіду бору створ. найлегшу броню для захисту людей і техніки від уражень вогнепал. зброї. Висока твердість карбіду бору, як чистого, так і легованого перехід. металами, зберігається в широкому інтервалі т-р до 2000 °С. Тому карбід бору, легований Ti, застосовують як матеріал індентерів для вимірювання твердості твердих і тугоплав. матеріалів методом вдавлювання в інтервалі т-р 800–1800 °С і мікротвердості до 2000 °С. Порошки карбіду бору застосовують як абразиви для виготовлення шліфувал. шкурок та як вихідні матеріали для створення з них методом високотемператур. спікання під тиском невеликих ступок і товкачів, призначених для подрібнення найтвердіших речовин. Композиц. сплави систем на основі карбіду бору з боридами титану В₄С–TiB₂ та цирконію В₄С–ZrB₂ поряд із високою твердістю мають підвищену тріщиностійкість, тому їх використовують як керам. інструм. матеріали, які виготовляють методом інфільтрації (просочування) та направленої кристалізації, що забезпечує формування армов. мікроструктури. Боридам рідкоземел. і перехід. металів характерні розмаїття структур. типів і унікал. поєднання фіз.-хім. властивостей — як у метал. матеріалів, високотемператур. надпровідників і напівпровідників. Напр., Ti, який є перехід. металом IVа підгрупи періодич. системи елементів, з B утворює сполуки Ti₂B_, TiB, TiB₂ та Ti₂B₅. Диборид TiB₂ є найстабільнішим під час вза­ємодії з ін. хім. елементами. Ін. бориди титану розкладаються. Така ж закономірність утворення сполук є характерною для систем перехід. металів IVа–VIа підгруп з B. Дибориди титану TiB₂, цирконію ZrB₂, гафнію HfB₂, ніобію NbB₂ й танталу TaB₂ за тугоплавкістю переважають всі ін. бориди. За т-рою плавлення HfB₂ (3250 °С) поступається лише W (3410 °С). У всіх боридів зазначених систем металів із B є метал. блиск, вони мають високі електро- й теплопровідності. Проте мех. властивості боридів суттєво відрізняються від металів і загалом є подібними до керам. матеріалів, яким властиві високі твердість, зносостійкість і крихкість під дією мех. або терміч. ударів. Серед металоподіб. сполук бориди після інтерметалідів характеризуються найбільшим запасом пластичності та меншою, порівняно з карбідами, чутливістю до термоударів. Бориди та матеріали на їхній основі застосовують як вогнетриви, захисні й зносостійкі покриття, каталізатори, високоомні резистивні матеріали, високотемпературні надпровідники, полірувал. пасти, матеріали для ядер. техніки, захисні чохли й електроди термопар, нагрівачі електрон. трубок тощо. Високу жароміцність боридів використовують для створення жароміц. сплавів, зокрема й композиц. матеріалів, дисперсно-зміцнених боридами чи армованих борид. волокнами. У 1990-х рр. на основі металоподіб. (боридів перехід. й рідкісноземел. металів) та неметал. (В₄С) сполук бору за допомогою методу направленої кристалізації розплавів евтектич. сплавів систем LaВ₆–MeВ₂, B₄C–MeВ₂ (де Ме — Ti, Zr, Hf), B₄C–SiС створ. новий клас високотвердих композиц. квазів’язких керам. матеріалів. Вони складаються з монокристаліч. матриці, утвореної однією тугоплавкою сполукою (LaB₆, B₄C та ін.), армованою дискрет., регулярно розташованими монокристаліч. волокнами (діаметром 0,3–1,2 мкм і довж. 50–100 мкм) ін. тугоплавкої сполуки МеВ2. Ці матеріали мають високу тріщиностійкість (Кк > 24 МПа·м^1/2), що забезпечує їхню працездатність без поміт. деградації структури за т-р до 2000 °С як виробів конструкц., електротех. й інструм. призначення. Виготовлення струмопідводів з високомодул. евтектич. сплавів, замість металевих, сприяло створенню керам. катодно-підігрів. вузлів з емітером з гексабориду лантану LaB₆. Завдяки високій міцності та тріщино­стійкості цих композиц. матеріалів вдається зменшити розміри конструкц. елементів катод. вузлів до рівня металевих (діаметр 0,2–0,4 мм, довж. 15–30 мм), уникаючи їхнього руйнування на стадії виготовлення та експлуатації за умов нерівномір. швидкіс. цикліч. нагрівання–охолодження зі швидк. 1500 °С/хв., знизити потужність підігрівання катод. вузлів до 3–8 Вт, уникнути інтенсив. повзучості конструкц. елементів, характерних для металів, при робочій т-рі катода, що становить 1600 °С. Створ. нові емісійні матеріали з композитів LaB₆–GdB₄, які мають вищу густину струму емісії, ніж у монокристаліч. LaB₆, а також матеріали нагрівачів катод. вузлів із направлено армов. композитів В₄С–МеВ₂ (Ме — Ti, Zr), міцність яких на порядок перевищує міцність графіту, що традиційно застосовували раніше. Висока твердість боридів, стійкість до окиснення за умов підвищених т-р, жароміцність забезпечують їх ефективне використання як компонентів зносостійких і корозійностійких покриттів. Розроблено та впроваджено технол. процеси нанесення борид. і боросиліцид. покриттів на тугоплавкі метали й сплави, а також борид. покриттів на сталі й чавун. Захисні покриття з боридів і бор­вміс. матеріалів в 3–10 разів підвищують термін роботи інструменту та деталей машин. В Україні дослідж. синтезу боридів і розроблення матеріалів на їхній основі започаткував 1956 в Інституті металокераміки та спец. сплавів АН УРСР (нині Інститут проблем матеріалознавства НАНУ; Київ) Г. Самсонов. Під його наук. керівництвом 1962 також запроваджено дослідж. у цьому напрямі на каф. високотемператур. матеріалів і порошк. металургії Нац. тех. університету України «Київ. політех. інститут». Розроблення Інституту проблем матеріалознавства НАНУ з синтезу боридів впроваджено на Донец. заводі хім. реактивів і Запоріз. абразив. комбінаті, де освоєно технологію виготовлення графітоподіб. нітриду бору. З нього в Інституті надтвердих матеріалів НАНУ (Київ) та Інституті проблем матеріалознавства НАНУ з використанням високих тисків і т-р отримано надтверді (алмазоподібні) фази нітриду бору. На основі цих матеріалів створ. низку абразив. інструментів для ефектив. оброблення металів і твердих гірських порід, а також міцний до ударів різал. інструмент для оброблення метал. деталей з неоднорід. структурою та макроскопіч. поверхн. дефектами.

Завантажити статтю