Loading article…
| |
| 名前 | |
|---|---|
| IUPAC名
炭化ホウ素
| |
| その他の名前
テトラボル
| |
| 識別子 | |
| |
3Dモデル（JSmol）
|
|
| ケムスパイダー |
|
| ECHA 情報カード | 100.031.907 |
パブケム CID
|
|
| ユニ |
|
CompTox ダッシュボード ( EPA )
|
|
| |
| |
| プロパティ | |
| B 4 C | |
| モル質量 | 55.255グラム/モル |
| 外観 | 暗灰色または黒色の粉末、無臭 |
| 密度 | 2.50 g/cm 3、固体。[1] |
| 融点 | 2,350 °C (4,260 °F; 2,620 K) [1] |
| 沸点 | >3500℃ [1] |
| 不溶性の | |
| 構造 | |
| 菱面体 | |
| 危険 | |
| 安全データシート（SDS） | 外部MSDS |
| 関連化合物 | |
関連化合物
|
窒化ホウ素 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
| |
炭化ホウ素（化学式はおよそB 4 C）は、極めて硬いホウ素-炭素 セラミックであり、戦車の装甲、防弾チョッキ、エンジン破壊用粉末などに使用される共有結合材料である[2] ほか、数多くの工業用途に使用されている。ビッカース硬度は30GPaを超え、立方晶窒化ホウ素とダイヤモンドに次いで最も硬い物質の一つである[3]。
歴史
炭化ホウ素は19世紀に金属ホウ化物反応の副産物として発見されましたが、その化学式は不明でした。1930年代になって初めて、化学組成はB 4 Cであると推定されました。 [4]この物質が正確に4:1の化学量論 を有しているかどうかについては論争が続いていました。これは、実際にはこの式に関して物質は常にわずかに炭素が不足しており、X線結晶構造解析により、その構造はCBC鎖とB 12 二十面体が混在した非常に複雑なものであることが示されているためです。
これらの特徴は、非常に単純で正確なB 4 C実験式に反するものでした。[5] B 12構造単位 のため、「理想的な」炭化ホウ素の化学式はB 4 CではなくB 12 C 3と表記されることが多く、炭化ホウ素の炭素欠損はB 12 C 3とB 12 CBC単位の組み合わせで説明されます。
結晶構造
炭化ホウ素は、二十面体ベースのホウ化物に典型的な複雑な結晶構造を持っています。そこでは、B 12二 十面体が、単位胞の中心にある CBC 鎖を取り囲む菱面体格子単位 (空間群: R 3 m (No. 166)、格子定数: a = 0.56 nm およびc = 1.212 nm) を形成し、両方の炭素原子が隣接する 3 つの二十面体を橋渡しします。この構造は層状であり、B 12二十面体と橋渡し炭素は、 c平面と平行に広がり、 c軸に沿って積み重ねられたネットワーク平面を形成します。格子には、B 12二十面体と B 6八面体という 2 つの基本構造単位があります。B 6八面体はサイズが小さいため、相互接続できません。代わりに、それらは隣接層のB12イコサヘドラと結合し、これによりc面の結合強度が低下します。[ 6 ]
B 12構造単位のため、「理想的な」炭化ホウ素の化学式は B 4 C ではなく B 12 C 3 と表記されることが多く、炭化ホウ素の炭素不足は B 12 C 3と B 12 C 2単位の組み合わせで説明されます。[5] [7]いくつかの研究では、1 つ以上の炭素原子がホウ素二十面体に組み入れられる可能性があることが示されており、化学量論の炭素が多い側では (B 11 C)CBC = B 4 C などの式が生成されますが、ホウ素が多い側では B 12 (CBB) = B 14 Cなどの式が生成されます。したがって、「炭化ホウ素」は単一の化合物ではなく、異なる組成の化合物のグループです。一般的な中間体は、一般的に見られる元素比に近いもので、B 12 (CBC) = B 6.5 Cです。 [8]量子力学計算により、結晶中の異なる位置にあるホウ素原子と炭素原子間の配置の無秩序性が、いくつかの材料特性、特にB 4 C組成の結晶対称性[9]とB 13 C 2組成の非金属電気特性を決定することが実証されています。[10]
プロパティ
炭化ホウ素は、非常に高い硬度（モース硬度で約9.5から9.75 ）、中性子吸収断面積が大きい（つまり中性子に対する優れた遮蔽特性）、電離放射線やほとんどの化学物質に対する安定性を備えた堅牢な材料として知られています。[11]ビッカース硬度（38 GPa）、弾性率（460 GPa）[12]、破壊靭性（3.5 MPa·m 1/2 ）は、ダイヤモンドの対応する値（1150 GPaと5.3 MPa·m 1/2 ）に近いです。[13]
2015年現在、炭化ホウ素はダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素[アップデート]に次いで3番目に硬い物質として知られており、「ブラックダイヤモンド」というニックネームが付けられています。[14] [15]
半導体特性
炭化ホウ素は半導体であり、電子特性はホッピング型輸送が支配的である。[8]エネルギーバンドギャップは組成と秩序度に依存する。バンドギャップは2.09 eVと推定され、複数の中間バンドギャップ状態がフォトルミネッセンススペクトルを複雑にする。[8]この材料は典型的にはp型である。
準備
炭化ホウ素は1899年にアンリ・モアッサンによって初めて合成されました[7] 。電気炉内で炭素またはマグネシウムを用いて三酸化ホウ素を還元することによって合成されました。炭素の場合、反応はB4Cの融点を超える温度で起こり、大量の一酸化炭素の放出を伴います。[16]
- 2B2O3 + 7C → B4C + 6CO
マグネシウムを使用する場合、反応はグラファイトるつぼ内で行うことができ、マグネシウムの副産物は酸処理によって除去される。[17]
アプリケーション
ホウ素の並外れた硬度は、以下の用途に使用できます。
炭化ホウ素のその他の特性により、次の用途にも適しています。
原子力応用
炭化ホウ素は長寿命放射性核種を形成せずに中性子を吸収する能力があるため、原子力発電所[18]や対人中性子爆弾から発生する中性子放射線の吸収剤として魅力的です。炭化ホウ素の原子力用途には遮蔽が含まれます。[11]
炭化ホウ素フィラメント
炭化ホウ素フィラメントは、その並外れた強度、弾性率、低密度特性により、樹脂や金属複合材料の補強材として有望視されています。[19]さらに、炭化ホウ素フィラメントは中性子を吸収する能力があるため、放射線の影響を受けません。[20]カドミウムなどの他の材料で作られたフィラメントよりも害が少ないです。[21]
参照
参考文献
- ^ abc ヘインズ、ウィリアム・M.編（2016年）。CRC化学物理ハンドブック（第97版）。CRCプレス。p.4.52。ISBN 9781498754293。
- ^ グレイ、セオドア（2012-04-03）。『元素：宇宙に存在するすべての既知の原子の視覚的探究』ブラックドッグ＆レベンサル出版社。ISBN 9781579128951. 2014年5月6日閲覧。
- ^ 「ラトガース大学、防弾チョッキの開発に着手」。アズベリーパークプレス。アズベリーパーク、ニュージャージー州、2012年8月11日。 2012年8月12日閲覧。...
炭化ホウ素は地球上で3番目に硬い物質です。
- ^ リッジウェイ、ラモンド R「炭化ホウ素」、欧州特許 CA339873 (A)、公開日: 1934-03-06
- ^ ab Balakrishnarajan, Musiri M.; Pancharatna, Pattath D.; Hoffmann, Roald (2007). 「炭化ホウ素の構造と結合：不完全さの無敵性」New J. Chem . 31 (4): 473. doi :10.1039/b618493f.
- ^ ab Zhang FX, Xu FF, Mori T, Liu QL, Sato A, Tanaka T (2001). 「新しい希土類ホウ素含有固体の結晶構造: REB28.5C4」. J. Alloys Compd . 329 (1–2): 168–172. doi :10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
- ^ ab グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。p. 149。ISBN 978-0-08-037941-8。
- ^ abc Domnich, Vladislav; Reynaud, Sara; Haber, Richard A.; Chhowalla, Manish (2011). 「炭化ホウ素：応力下での構造、特性、安定性」（PDF） . J. Am. Ceram. Soc . 94（11）：3605–3628. doi :10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x. 2014年12月27日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2015年7月23日閲覧。
- ^ Ektarawong, A.; Simak, SI; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2014). 「超原子特殊準ランダム構造法を用いたB 4 C の構成無秩序性の第一原理研究」. Phys. Rev. B . 90 (2): 024204. arXiv : 1508.07786 . Bibcode :2014PhRvB..90b4204E. doi :10.1103/PhysRevB.90.024204. S2CID 39400050.
- ^ Ektarawong, A.; Simak, SI; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2015). 「第一原理超原子-特殊準ランダム構造法による B 13 C 2の配置秩序-無秩序誘起金属-非金属遷移の研究」. Phys. Rev. B . 92 (1): 014202. arXiv : 1508.07848 . Bibcode :2015PhRvB..92a4202E. doi :10.1103/PhysRevB.92.014202. S2CID 11805838.
- ^ ワイマー著、330ページ
- ^ Sairam, K.; Sonber, JK; Murthy, TSRCh.; Subramanian, C.; Hubli, RC; Suri, AK (2012). 「反応ホットプレスによるB4C-HfB2複合材料の開発」. Int.J. Ref. Met. Hard Mater . 35 : 32–40. doi :10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004.
- ^ Solozhenko, VL; Kurakevych, Oleksandr O.; Le Godec, Yann; Mezouar, Mohamed; Mezouar, Mohamed (2009). 「ダイヤモンド中のホウ素の究極の準安定溶解度：超硬質ダイヤモンド状 BC5 の合成」(PDF) . Phys. Rev. Lett . 102 (1): 015506. Bibcode :2009PhRvL.102a5506S. doi :10.1103/PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210.
- ^ 「炭化ホウ素」。Precision Ceramics。2015年6月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年6月20日閲覧。
- ^ A. Sokhansanj; AM Hadian (2012). 「アトリション ミル処理したナノサイズの炭化ホウ素粉末の精製」。International Journal of Modern Physics: Conference Series。5 : 94–101。Bibcode : 2012IJMPS...5...94S。doi : 10.1142 /S2010194512001894。
- ^ ワイマー、131ページ
- ^ パトナイク、プラディオット（2002年）。無機化学ハンドブック。マグロウヒル。ISBN 0-07-049439-8
- ^ ウラニア-アルミナ燃料要素および炭化ホウ素可燃性毒物要素の製造と評価、Wisnyi, LG および Taylor, KM、「ASTM 特別技術出版物 No. 276: 核用途の材料」、委員会 E-10 スタッフ、米国材料試験協会、1959 年
- ^ Higgins, JB; Gatti, A. (1969). 「炭化ホウ素連続フィラメントの調製と特性」. Journal of the Electrochemical Society . 116 (1) 1: 137. Bibcode :1969JElS..116..137H. doi :10.1149/1.2411733 . 2024年5月28日閲覧。
- ^ Rose, Lisa. 「炭化ホウ素フィラメント：特性と用途」。Precise Ceramic 。 2024年5月28日閲覧。
- ^ 「炭化ホウ素とは何か？」Trunnano . 2022年7月29日. 2024年5月28日閲覧。
文献
- ワイマー、アラン W. (1997)。炭化物、窒化物、ホウ化物材料の合成と処理。チャップマン＆ホール（ロンドン、ニューヨーク）。ISBN 0-412-54060-6。
外部リンク
- 国家汚染物質目録 – ホウ素および化合物
- NIST 化学データベースの炭化ホウ素のエントリ