Carburo di boro

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
Numero EINECS	235-111-5
PubChem	123279
SMILES	B12B3C14B2B43
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
	attenzione
Frasi H	302 - 332 - 361
Consigli P	261 - 280 - 304+341 - 308+313 - 312
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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, nei giubbotti antiproiettile e in numerose applicazioni industriali. Con una durezza di 9,3 sulla 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

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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 diboro) nel forno elettrico ad arco.

La stechiometria della reazione è la seguente:

2 B₂O₃ + 7 C → B₄C + 6 CO

Struttura

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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

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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

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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

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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.
È stato usato per seppellire il reattore nucleare di Chernobyl

Note

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^ Washington Mills; rev. del 01.09.2011
^ ^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.
^ 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.
^ Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.