炭化ホウ素

炭化ホウ素について

炭化ホウ素（化学式: B4C）は、ホウ素と炭素で構成される非常に硬い素材で、さまざまな工業利用がされています。その優れた硬度は、モース硬度スケールで9.497を記録し、立方晶窒化ホウ素やダイヤモンドに次ぐ硬さを誇ります。主な用途には、戦車の装甲、防弾チョッキ、切削工具などがあります。

発見と化学構造

炭化ホウ素は19世紀に金属ホウ化物の副産物として発見されましたが、その正確な化学組成は長らく不明でした。1930年代に入ってその構造がB4Cと推定されるようになりましたが、実際には炭素が常に若干不足しているため、組成が正確に4:1の比率になるかどうかは議論されています。X線回折の研究によれば、炭化ホウ素の結晶構造は複雑で、炭素とホウ素の結合や、正二十面体のB12構造が組み合わさっています。これにより、理想的な化学式はB4Cではなく、しばしばB12C3と呼ばれることがあり、炭素不足を考慮するとB12C3とB12C2の単位の組み合わせとして認識されます。

中性子吸収と原子力利用

炭化ホウ素は、長寿命の放射性同位体を生成せずに中性子を吸収する特性があるため、原子力発電所での中性子線遮蔽材として非常に魅力的です。核施設では、制御棒や停止ペレット、遮蔽材としての利用がされています。特に制御棒として使用される場合、粉体状に加工することにより表面積を増大させる工夫がなされています。

結晶構造の詳細

炭化ホウ素の結晶構造は典型的な金属ホウ化物の複合構造を示しています。B12の正二十面体が三方晶系の構造を取り、その中に炭素-ホウ素-炭素のチェーンが位置しています。このチェーンの両端に配置された炭素原子は、近くの3つのホウ素の正二十面体と結びついています。層状の構造を形成し、炭素がc面方向に平行に積み重なっています。この結晶ラティスは、B12の正二十面体とB6の正八面体の二つのサブユニットから構成されており、B6正八面体は小さいため、他のB6正八面体とは連結せず、隣接層のB12に接続することによって炭素の層間の結合強度が低下します。

性質と製法

炭化ホウ素は、その硬さや中性子吸収特性に加えて、電離放射線やほとんどの化学変化に対する優れた安定性を持つことで知られています。ビッカース硬さは38 GPaで、破壊靭性は3.5 MPa·m1/2であり、ダイヤモンドに近い特性を示します。1899年にはアンリ・モアッサンによって初めて合成され、アーク炉で酸化ホウ素と炭素、またはマグネシウムと反応させることで得られます。この反応は高温で行われ、一酸化炭素を放出します。

用途

炭化ホウ素の用途は多岐にわたります。南京錠や個人用や車両の防弾装甲、ショットブラストノズル、ウォータージェットカッターノズル、耐擦過コーティング、切削工具、研磨材、原子炉の中性子吸収体、金属複合材料、ラムジェットの高エネルギー固体燃料、夜間効果的にブレーキライニングなど、多岐にわたり、その特性を最大限に活かしています。

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