Carburo di boro

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Carburo di boro
Nome IUPAC
Carburo di boro
Nomi alternativi
Tetraboruro di carbonio
diamante nero
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare B4C
Massa molecolare (u) 55.255 g/mol
Aspetto polvere nera
Numero CAS [12069-32-8]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.) 2.52 g/cm3
Temperatura di fusione 2350 °C (2623.15 K)
Temperatura di ebollizione >3500 °C (>3773.15 K)
Indicazioni di sicurezza
Temperatura di autoignizione Non infiammabile
Simboli di rischio chimico
tossico a lungo termine

attenzione

Frasi H 302 - 332 - 361
Consigli P 261 - 280 - 304+341 - 308+313 - 312 [1]

Il carburo di boro (formula bruta: B4C) è una molecola che in condizioni normali costituisce aggregati di materiale ceramico estremamente duro, e per questo viene usato nella corazza di alcuni tipi di carrarmato, nel giubbotto antiproiettile, ed in numerose applicazioni industriali. Con una durezza di 9,3 nella scala di Mohs, è il quinto materiale più duro noto, dietro il nitruro di boro, il diamante, la fullerite ultradura, ed i nanotubi di diamante aggregati.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Scoperto nel XIX secolo come un sottoprodotto delle reazioni che avvengono tra boruri metallici, il materiale venne studiato scientificamente solo dagli anni trenta. Attualmente è prodotto industrialmente per la riduzione carbo-termica del B2O3 (triossido di boro) nel forno elettrico ad arco.

La stechiometria della reazione è la seguente:

2 B2O3 + 4 C → B4C + 3 CO2

Struttura[modifica | modifica sorgente]

Cella cristallina di B4C. La sfera verde e gli icosaedri rappresentano atomi e gruppi di atomi di boro, le sfere nere rappresentano atomi di carbonio[2].
Frammento della struttura cristallina di B4C.

Il carburo di boro possiede una struttura complessa a icosaedro tipica dei boruri metallici in cui gruppi di 12 atomi di boro disposti ai vertici di un icosaedro formano un reticolo romboedrico (gruppo di simmetria R3m N. 166, costanti di cella a = 0.56 nm e c = 1.212 nm) che circonda una catena C-B-C sita al centro della cella elementare dove ciascuno degli atomi di carbonio è legato a tre icosaedri vicini.
La struttura è a strati: gli icosaedri di B12 e gli atomi di carbonio formano reti planari che sono disposte parallelamente al piano c e impilate lungo l'asse c.
Il reticolo possiede due strutture di base: a icosaedri B12 e a ottaedri B6. Per via delle minori dimensioni, gli ottaedri di B6 non si legano agli icosaedri del medesimo piano ma con quelli dei piani adiacenti, questo diminuisce le forze di legame nel piano c[2].

Per via delle unità strutturali B12 la formula chimica del carburo di boro "ideale" viene spesso scritta non come B4C, ma come B12C3 e la carenza di carbonio descritta in termini di una combinazione tra unità B12C3 e B12C2[3][4].

Proprietà[modifica | modifica sorgente]

La sua capacità di assorbire i neutroni senza formare radio-nuclidi a lunga emivita radioattiva rende il materiale particolarmente appropriato come assorbitore della radiazione neutronica che viene emessa dai reattori delle centrali nucleari. Le applicazioni nucleari del carburo di boro comprendono il rivestimento del reattore, le barre di controllo ("control rods") ed il contenimento dei "pellet" di combustibile nucleare.

Caratteristiche tecniche principali[modifica | modifica sorgente]

densità DIN EN 623-2 ρ [g/cm3] >2,48
porosità DIN EN 623-2 P [%] <0,5 (diam. medio granulo [µm] <15)
durezza Vickers DIN EN 843-4 HV 1 [GPa] 31
durezza Knoop DIN EN 843-4 HK 0,1 [GPa] 29
modulo di Young DIN EN 843-2 E [GPa] 420
modulo di Weibull DIN EN 843-5 m 15
resistenza alla flessione DIN EN 843-1 σB [MPa] 450
resistenza alla compressione σD [MPa] >2800
rapporto di Poisson v 0,15
tenacità alla frattura (SENB) Klc [MPa·m^0,5] 5
coefficiente di espansione termica DIN EN 821-1 α[10-6/K] 4,5 (20 °C – 500 °C) - 7,2 (500 °C -1000 °C)
calore specifico a 20 °C DIN EN 821-3 cp[J/gK] 1
conducibilità termica a 20 °C DIN EN 821-2 λ[W/mK] 40
resistenza elettrica specifica a 20 °C DIN EN 50359 ρ(Ω/cm) 1
velocità del suono [m/s] 10920

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

  • Corazza in piastre anti-balistica personale e per veicoli, piastre protettive addizionali da inserire nei vestiti, adatte a fermare pallottole di piccolo calibro.
  • Ugelli che sparano polveri di silicio o alluminio in pressione (anche sabbia) per pulire superfici come statue in marmo o metalli.
  • Ugelli che spruzzano getti di acqua da taglio ad alta pressione.
  • Rivestimenti resistenti ai graffi ed al usura.
  • Utensili da taglio e manifattura di stampi.
  • Abrasivi come quelli impiegate nella mola diamantata o smeriglio ruotante.
  • Assorbitori di neutroni in molti tipi di reattore nucleare.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Washington Mills; rev. del 01.09.2011
  2. ^ a b Zhang F X, Xu F F, Mori T, Liu Q L, Sato A and Tanaka T, Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4 in J. Alloys Compd., vol. 329, 2001, p. 168. DOI:10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
  3. ^ Musiri M. Balakrishnarajan, Pattath D. Pancharatna and Roald Hoffmann, Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections in New J. Chem., vol. 31, n. 4, 2007, p. 473. DOI:10.1039/b618493f.
  4. ^ Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing ISBN 0-412-54060-6
  • Schede tecniche ESK CERAMICS

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]