Il carburo di boro è uno dei materiali ceramici più duri conosciuti che presenta durezza appena inferiore al diamante e al nitruro di boro a struttura cubica. Infatti ha una durezza compresa tra 9 e 10 nella scala di Mohs ed è pertanto denominato diamante nero.
La formula chimica del carburo di boro è come B12C3, anche se per semplicità viene indicata con B4C. Ha elevata durezza, elevato modulo elastico, bassa densità, elevata resistenza all’usura e all’abrasione ed è utilizzato più frequentemente come materiale ceramico.
Il carburo di boro ha un elevato punto di fusione pari a 2427°C, elevato modulo di Young e buone proprietà meccaniche, basso peso specifico, elevata resistenza al calore e agli agenti chimici
Struttura del carburo di boro
La struttura cristallina del carburo di boro è molto complessa ed è costituita da icosaedri a 12 atomi e una catena di tre atomi che corre lungo la diagonale di ciascuna cella unitaria. A seconda della combinazione di atomi di boro e carbonio che costituisce la catena di tre atomi, è possibile avere unità di formula diverse per il carburo di boro.
Si ritiene solitamente che questa catena di tre atomi sia costituita da due atomi di carbonio che si trovano a fianco di un atomo di boro. Come conseguenza di questa disposizione degli atomi, la formula potrebbe essere scritta come B13C2, il che implica che il composto è carente di carbonio.
Se nella catena di tre atomi, si hanno due atomi di boro a fianco di un atomo di carbonio la formula è B14C, il che implica che il composto è ricco di boro. Pertanto si utilizza la formula B12C3 che equivale a quella più comune B4C che rappresenta una sorta di media tra le due formule B13C2 e B14C.
Proprietà
Il carburo di boro è utilizzato come materiale ceramico ad alte prestazioni in cui durezza e peso sono fondamentali perché il carburo di boro ha una bassa densità di circa 2. 5 g/cm3, durezza ultraelevata, buona stabilità termica e bassi costi del materiale. Analogamente ad altri materiali ceramici le proprietà meccaniche dipendono fortemente dalla composizione chimica, dalla microstruttura e dai processi di fabbricazione.
In particolare, il carburo di boro ha un ampio intervallo di composizione che va dall’ 8.8 al 20 % di carbonio e, in tal caso, forma soluzioni solide termodinamicamente stabili mentre oltre il 20% di C, si ha generalmente una miscela di carburo di boro e grafite e al di sotto dell’ 8% di carbonio, il boro puro coesiste con il carburo di boro.
È dotato di bassa resistività elettrica, bassa conduttività termica e alto potere termoelettrico noto come coefficiente di Seebeck che consente di conoscere la capacità di un materiale di convertire calore in elettricità e viceversa.
Preparazione
Fu sintetizzato per la prima volta dal chimico francese Henri Moissan nel 1899 in un forno elettrico ad arco per riduzione dell’anidride borica in presenza di carbonio. La reazione di riduzione carbotermica avviene a una temperatura al di sopra della temperatura di fusione del carburo di boro in presenza di magnesio o alluminio metallico dalla reazione
2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO
con formazione di monossido di carbonio come sottoprodotto. Il tempo, la temperatura di reazione, la velocità di riscaldamento sono parametri essenziali per controllare la dimensione media finale delle particelle.
Le nanoparticelle più fini sono difficili da sintetizzare perché, oltre all’elevata velocità di nucleazione causata dall’alta temperatura, si osserva anche la crescita delle particelle a causa del lungo tempo di reazione. Questo fattore può essere evitato utilizzando le microonde, che riducono notevolmente i tempi e impediscono la crescita eccessiva di particelle.
Usi
Il carburo di boro è utilizzato in applicazioni refrattarie grazie al suo elevato punto di fusione e stabilità termica. Trova utilizzo sotto forma di polvere nei rivestimenti abrasivi per la sua estrema resistenza all’abrasione ed è comunemente usato nelle applicazioni nucleari per assorbire le radiazioni di neutroni.
Inoltre, il carburo di boro è un semiconduttore ad alta temperatura che può essere potenzialmente utilizzato per nuove applicazioni elettroniche. Grazie alla sua elevata durezza e bassa densità è utilizzato nei giubbotti antiproiettile.
A causa delle sue proprietà è usato in numerose applicazioni, dai componenti resistenti all’usura, agli utensili da taglio e alle termocoppie ad alta temperatura.
Il carburo di boro può essere utilizzato anche come precursore o agente di riduzione per produrre nitruro di boro e diboruri di metalli di transizione e recentemente è stato applicato negli scintillatori di raggi gamma, nei rilevatori di neutroni e come materiale termoelettrico ad alta efficienza