탄화 붕소

탄화 붕소
이름
	IUPAC 이름 탄화 붕소
	별칭 테트라보르
식별자
CAS 번호	12069-32-8 ;
3D 모델 (JSmol)	Interactive image;
ChemSpider	109889 ;
ECHA InfoCard	100.031.907
PubChem CID	123279;
UNII	T5V24LJ508 ;
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID4051615 ;
	InChI InChI=1S/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2 Key: INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N ; InChI=1/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2 Key: INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYAS;
	SMILES B12B3B4B1C234;
성질
화학식	B4C
몰 질량	55.255 g/mol
겉보기	짙은 회색 또는 검은색 분말, 무취
밀도	2.50 g/cm3, 고체.
녹는점	2,350 °C (4,260 °F; 2,620 K)
끓는점	>3500 °C
물에서의 용해도	불용성
구조
결정 구조	마름모꼴
위험
물질 안전 보건 자료	외부 물질 안전 보건 자료
관련 화합물
관련 화합물	질화 붕소
	달리 명시된 경우를 제외하면, 표준상태(25 °C [77 °F], 100 kPa)에서 물질의 정보가 제공됨. 확인 (관련 정보 ?) 정보상자 각주

탄화 붕소(Boron carbide, 화학식 약 B₄C)는 매우 단단한 붕소-탄소 세라믹이며, 공유 결합 화합물로서 탱크 장갑, 방탄복, 엔진 사보타주 분말 등에 사용될 뿐만 아니라^[2] 수많은 산업 분야에도 사용된다. 비커스 굳기 30 GPa 이상으로, 입방정 질화 붕소와 다이아몬드 다음으로 가장 단단한 물질 중 하나이다.^[3]

역사

탄화 붕소는 19세기에 금속 보라이드와 관련된 반응의 부산물로 발견되었지만, 그 화학식은 알려지지 않았다. 화학적 조성이 B₄C로 추정된 것은 1930년대에 이르러서였다.^[4] 실제로 이 재료는 이 공식에 비해 항상 탄소가 약간 부족하고 엑스선결정학에 따르면 구조가 매우 복잡하며 C-B-C 사슬과 B₁₂ 이십면체가 혼합되어 있어 이 물질이 정확히 4:1 화학량론을 갖는지 여부에 대한 논란이 남아있었다.

이러한 특징은 매우 간단한 B₄C 경험식에 반대되는 주장을 뒷받침했다.^[5] B₁₂ 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B₄C가 아니라 B₁₂C₃로 쓰이며, 탄화 붕소의 탄소 부족은 B₁₂C₃와 B₁₂CBC 단위의 조합으로 설명된다.

결정 구조

B₄C의 단위 격자. 녹색 구와 이십면체는 붕소 원자로 구성되어 있고, 검은색 구는 탄소 원자이다.^[6]

탄화 붕소는 이십면체 기반 보라이드의 전형적인 복잡한 결정 구조를 가지고 있다. 여기서 B₁₂ 이십면체는 단위 격자 중심에 위치한 C-B-C 사슬을 둘러싸는 마름모꼴 격자 단위(공간군: R3m (No. 166), 격자 상수: a = 0.56 nm, c = 1.212 nm)를 형성하며, 두 탄소 원자는 인접한 세 이십면체를 연결한다. 이 구조는 층상 구조이다. B₁₂ 이십면체와 가교 탄소는 c-평면에 평행하게 퍼져 c-축을 따라 쌓이는 네트워크 평면을 형성한다. 격자는 B₁₂ 이십면체와 B₆ 팔면체의 두 가지 기본 구조 단위를 가지고 있다. B₆ 팔면체의 작은 크기 때문에 서로 연결될 수 없다. 대신 인접한 층의 B₁₂ 이십면체에 결합하며, 이는 c-평면의 결합 강도를 감소시킨다.^[6]

B₁₂ 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B₄C가 아니라 B₁₂C₃로 쓰이며, 탄화 붕소의 탄소 부족은 B₁₂C₃와 B₁₂C₂ 단위의 조합으로 설명된다.^[5]^[7] 일부 연구에서는 하나 이상의 탄소 원자가 붕소 이십면체에 포함될 가능성을 시사하며, 화학량론의 탄소 함량이 높은 쪽에서는 (B₁₁C)CBC = B₄C와 같은 화학식을, 붕소 함량이 높은 쪽에서는 B₁₂(CBB) = B₁₄C와 같은 화학식을 제시한다. 따라서 "탄화 붕소"는 단일 화합물이 아니라 다양한 조성의 화합물 계열이다. 일반적으로 발견되는 원소 비율을 근사하는 공통 중간체는 B₁₂(CBC) = B_6.5C이다.^[8] 양자 역학적 계산은 결정 내 다양한 위치에 있는 붕소와 탄소 원자 사이의 배열 무질서가 여러 재료 특성, 특히 B₄C 조성의 결정 대칭성^[9] 및 B₁₃C₂ 조성의 비금속 전기적 특성을 결정함을 보여주었다.^[10]

특성

탄화 붕소는 매우 높은 경도(모스 굳기 척도 약 9.5~9.75), 높은 중성자 포획 단면(즉, 중성자에 대한 우수한 차폐 특성), 이온화 방사선 및 대부분의 화학 물질에 대한 안정성으로 알려져 있다.^[11] 비커스 굳기 (38 GPa), 탄성 계수 (460 GPa)^[12], 파괴 인성 (3.5 MPa·m^1/2)은 다이아몬드의 해당 값 (1150 GPa 및 5.3 MPa·m^1/2)에 근접한다.^[13]

2015년 기준^[update], 탄화 붕소는 다이아몬드와 입방정 질화 붕소에 이어 알려진 물질 중 세 번째로 단단한 물질이며, "검은 다이아몬드"라는 별명을 얻었다.^[14]^[15]

반도체 특성

탄화 붕소는 반도체로, 호핑형 전도가 지배적인 전자적 특성을 가지고 있다.^[8] 에너지 띠틈은 조성뿐만 아니라 정렬 정도에 따라 달라진다. 띠틈은 2.09 eV로 추정되며, 광발광 스펙트럼을 복잡하게 만드는 여러 개의 띠틈 중간 상태가 있다.^[8] 이 재료는 일반적으로 p형이다.

제조

탄화 붕소는 1899년 앙리 무아상에 의해 처음 합성되었다.^[7] 이는 전기 아크 용광로에서 탄소 존재 하에 삼산화 붕소를 탄소 또는 마그네슘으로 환원시켜 얻었다. 탄소의 경우, 반응은 B₄C의 녹는점 이상의 온도에서 일어나며 다량의 일산화 탄소 방출을 수반한다.^[16]

2 B₂O₃ + 7 C → B₄C + 6 CO

마그네슘을 사용하는 경우, 반응은 흑연 도가니에서 수행할 수 있으며, 마그네슘 부산물은 산 처리로 제거된다.^[17]

응용 분야

붕소의 뛰어난 경도는 다음과 같은 응용 분야에 사용될 수 있다.

맹꽁이자물쇠
개인 및 차량 탄도 장갑
그릿 블라스팅 노즐
고압 워터젯 절단기 노즐
긁힘 및 마모 방지 코팅
절삭 공구 및 금형
연마제
금속 기지 복합재
차량의 브레이크 라이닝

탄화 붕소의 다른 특성 또한 다음과 같은 용도에 적합하다.

중성자 흡수재 원자력 발전소 (아래 참조)
고에너지 연료 고체 연료 램제트

핵 응용 분야

탄화 붕소가 장수명 방사성 동위 원소를 생성하지 않고 중성자를 흡수하는 특성은 핵 발전소의 제어봉에 사용되는 것과 같은 매력적인 중성자 방사선 차폐 또는 흡수재가 된다.^[18] 탄화 붕소의 핵 응용 분야에는 차폐 및 반응 제어(제어봉)가 포함된다.^[11]

탄화 붕소 필라멘트

탄화 붕소 필라멘트는 뛰어난 강도, 탄성 계수, 저밀도 특성으로 인해 수지 및 금속 복합 재료의 보강 요소로서 유망한 전망을 보인다.^[19] 또한, 탄화 붕소 필라멘트는 중성자 포획 능력이 있어 방사선의 영향을 받지 않는다.^[20] 카드뮴과 같은 다른 재료로 만든 필라멘트보다 덜 유해하다.^[21]

각주

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[crc-1] 가 ^나 ^다 Haynes, William M., 편집. (2016). 《CRC Handbook of Chemistry and Physics》 97판. CRC Press. 4.52쪽. ISBN 9781498754293.

[2] Gray, Theodore (2012년 4월 3일). 《The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe》. Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 9781579128951. 2014년 5월 6일에 확인함.

[3] “Rutgers working on body armor”. 《Asbury Park Press》 (아스버리 파크, 뉴저지). 2012년 8월 11일. 2012년 8월 12일에 확인함. ... boron carbide is the third-hardest material on earth.

[4] Ridgway, Ramond R "Boron Carbide", 유럽 특허 CA339873 (A), 발행일: 1934-03-06

[stoi-5] 가 ^나 Balakrishnarajan, Musiri M.; Pancharatna, Pattath D.; Hoffmann, Roald (2007). 《Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections》. 《New J. Chem.》 31. 473쪽. doi:10.1039/b618493f.

[zhangyb28.5c4-6] 가 ^나 Zhang FX, Xu FF, Mori T, Liu QL, Sato A, Tanaka T (2001). 《Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4》. 《J. Alloys Compd.》 329. 168–172쪽. doi:10.1016/S0925-8388(01)01581-X.

[gr-7] 가 ^나 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). 《Chemistry of the Elements》 2판. Butterworth-Heinemann. 149쪽. ISBN 978-0-08-037941-8.

[Domnich2011-8] 가 ^나 ^다 Domnich, Vladislav; Reynaud, Sara; Haber, Richard A.; Chhowalla, Manish (2011). 《Boron Carbide: Structure, Properties, and Stability under Stress》 (PDF). 《J. Am. Ceram. Soc.》 94. 3605–3628쪽. doi:10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x. 2014년 12월 27일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2015년 7월 23일에 확인함.

[9] Ektarawong, A.; Simak, S. I.; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2014). 《First-principles study of configurational disorder in B₄C using a superatom-special quasirandom structure method》. 《Phys. Rev. B》 90. 024204쪽. arXiv:1508.07786. Bibcode:2014PhRvB..90b4204E. doi:10.1103/PhysRevB.90.024204. S2CID 39400050.

[10] Ektarawong, A.; Simak, S. I.; Hultman, L.; Birch, J.; Alling, B. (2015). 《Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B₁₃C₂ studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method》. 《Phys. Rev. B》 92. 014202쪽. arXiv:1508.07848. Bibcode:2015PhRvB..92a4202E. doi:10.1103/PhysRevB.92.014202. S2CID 11805838.

[w330-11] 가 ^나 Weimer, p. 330

[12] Sairam, K.; Sonber, J.K.; Murthy, T.S.R.Ch.; Subramanian, C.; Hubli, R.C.; Suri, A.K. (2012). 《Development of B4C-HfB2 composites by reaction hot pressing》. 《Int.J. Ref. Met. Hard Mater》 35. 32–40쪽. doi:10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004.

[13] Solozhenko, V. L.; Kurakevych, Oleksandr O.; Le Godec, Yann; Mezouar, Mohamed; Mezouar, Mohamed (2009). 《Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5》 (PDF). 《Phys. Rev. Lett.》 102. 015506쪽. Bibcode:2009PhRvL.102a5506S. doi:10.1103/PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210.

[14] “탄화 붕소”. 프리시전 세라믹스. 2015년 6월 20일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2015년 6월 20일에 확인함.

[15] A. Sokhansanj; A.M. Hadian (2012). 《Purification of Attrition Milled Nano-size Boron Carbide Powder》. 《International Journal of Modern Physics: Conference Series》 5. 94–101쪽. Bibcode:2012IJMPS...5...94S. doi:10.1142/S2010194512001894.

[w131-16] Weimer, p. 131

[17] Patnaik, Pradyot (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8

[18] Fabrication and Evaluation of Urania-Alumina Fuel Elements and Boron Carbide Burnable Poison Elements, Wisnyi, L. G. and Taylor, K.M., in "ASTM Special Technical Publication No. 276: Materials in Nuclear Applications", Committee E-10 Staff, American Society for Testing Materials, 1959

[19] Higgins, J.B; Gatti, A. (1969). 《Preparation and Properties of Boron Carbide Continuous Filaments》. 《Journal of the Electrochemical Society》 116. 137쪽. Bibcode:1969JElS..116..137H. doi:10.1149/1.2411733. 2024년 5월 28일에 확인함.

[20] Rose, Lisa. “Boron Carbide Filament: Properties & Applications”. 《Precise Ceramic》. 2024년 5월 28일에 확인함.

[21] “What is boron carbide?”. 《Trunnano》. 2022년 7월 29일. 2024년 5월 28일에 확인함.

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