Карбид и нитрид бора
Общие сведения
Карбид бора и нитрид бора представляют собой бинарные неорганические соединения бора с углеродом и азотом соответственно. Карбид бора имеет химическую формулу B4C, хотя также встречается более редкая модификация B13C2. В стандартных условиях карбид бора представляет собой черные кристаллы. Нитрид бора имеет формулу BN и существует в нескольких кристаллических модификациях, существенно различающихся по внешнему виду и физическим характеристикам. Оба вещества отличаются высокой химической стабильностью, исключительной твердостью и отсутствием токсичности.
Свойства и характеристики
Карбид бора обладает тригональной сингонией кристаллической решетки. Материал является полупроводником, а при охлаждении до сверхнизких температур ниже двух кельвинов переходит в сверхпроводящее состояние. Вещество отличается твердостью, которая сопоставима с алмазом, а по ряду параметров даже превосходит его. Карбид бора химически инертен: он не окисляется на воздухе при нагревании до шестисот градусов Цельсия, не растворяется в воде и кислотах, а также устойчив к воздействию кипящих растворов щелочей. Взаимодействие с расплавами щелочей происходит только при экстремально высоких температурах. Соединение не реагирует с азотом, фосфором и серой при нормальных условиях, а реакция с хлором протекает лишь при достижении тысячи градусов Цельсия.
Нитрид бора образует различные кристаллические структуры. Гексагональная модификация, известная как белый графит, представляет собой порошок, внешне напоминающий тальк. Данная форма способна выдерживать нагрев до трех тысяч градусов Цельсия. Кубическая модификация нитрида бора, называемая эльбором, по своей структуре и твердости подобна алмазу. Также существуют гексагональная форма типа вюрцита, аморфные модификации и нанотрубки. Теплопроводность нитрида бора высока, однако она существенно зависит от направления в кристалле, при этом у порошкообразных форм этот показатель заметно снижен. Вещество химически устойчиво, но подвержено разрушению в горячих растворах щелочей с выделением аммиака, а также способно образовывать соединения с фтороводородом.
Нахождение в природе
В доступных материалах отсутствует информация о нахождении карбида и нитрида бора в естественных природных условиях. Описываемые химические соединения производятся исключительно искусственным путем в лабораторных и промышленных масштабах для удовлетворения технологических нужд различных отраслей.
Получение
Впервые карбид бора был синтезирован в 1893 году методом восстановления оксида бора углеродом. В лабораторных условиях данный процесс осуществляется путем смешивания оксида бора с чистым углеродом в виде сажи и последующего нагревания смеси до температуры около двух тысяч градусов Цельсия, в результате чего образуется целевой продукт и выделяется оксид углерода. В промышленных масштабах синтез проводится с использованием борной кислоты в качестве массового источника бора и нефтяного кокса в качестве источника углерода. Формирование готовых изделий из сверхтвердого карбида бора требует применения метода горячего прессования при температуре две тысячи градусов Цельсия.
Синтез нитрида бора также протекает при очень высоких температурах. Одним из основных методов является реакция оксида бора с аммиаком при температуре, превышающей две тысячи градусов Цельсия. Существует плазменный метод синтеза, который заключается во введении бора непосредственно в струю азотной плазмы. Формирование нитрида бора в данном случае происходит в процессе последующего остывания материала.
Применение
Благодаря своей твердости карбид бора широко применяется в производстве абразивных и шлифовальных материалов. Он используется для изготовления химической посуды, элементов бронежилетов и износостойких сопел пескоструйных машин. В ядерной промышленности карбид бора, обогащенный изотопом бор-10, выполняет критически важную функцию эффективного поглотителя нейтронов в ядерных реакторах. Кроме того, полупроводниковые свойства материала позволяют использовать его в электронной отрасли.
Сфера применения нитрида бора напрямую зависит от его структурной модификации. Кубический нитрид бора применяется как высокоэффективный абразивный материал. В отличие от алмаза, эльбор не растворяется в железе, что делает его оптимальным инструментом для резки и обработки стальных сплавов. Сверхтвердые покрытия из нитрида бора используются для финишной обработки деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности и строительном секторе. Материал выступает в роли наполнителя, улучшающего теплопроводность, и применяется в системах электрической изоляции. Гексагональный нитрид бора используется в оптических микроскопах для достижения повышенного разрешения. Нанотрубки, сформированные из нитрида бора, находят перспективное применение в конструкции современных литиевых аккумуляторов.