Boori omadused, ajalugu, tootmine ja kasutamine

Boor on äärmiselt kõva ja kuumuskindel poolmetall, mida võib leida erinevates vormides. Seda kasutatakse ühendites laialdaselt, alates pleegitajatest ja klaasidest kuni pooljuhtide ja põllumajanduslike väetiste valmistamiseni.

Boori omadused on:

• Aatomisümbol: B
• Aatomarv: 5
• Elementide kategooria: metalloid
• Tihedus: 2,08 g / cm3
• Sulamistemperatuur: 3769 F (2076 C)
• Keemispunkt: 7101 F (3927 C)
• Mohi kõvadus: ~ 9.5

Elementaarboor on allotroopne poolmetall, mis tähendab, et element ise võib eksisteerida erineval kujul, millel kõigil on oma füüsikalised ja keemilised omadused. Samuti, nagu teistel poolmetallidel (või metalloididel), on osa materjalist oma olemuselt metallilised, teised aga sarnasemad mittemetallidega.

Kõrge puhtusastmega boor on kas amorfne tumepruun kuni must pulber või tume, läikiv ja habras kristalne metall.

Ülimalt kõva ja kuumusele vastupidav boor on madalatel temperatuuridel halb elektrijuht, kuid temperatuuri tõustes see muutub. Kuigi kristalne boor on väga stabiilne ega reageeri hapetega, oksüdeerub amorfne vorm õhus aeglaselt ja võib happes ägedalt reageerida.

Kristalses vormis on boor kõigist elementidest teine ​​kõige raskem (teemandi kujul ainult süsiniku taga) ja sellel on üks kõrgemaid sulamistemperatuure. Sarnaselt süsinikuga, mille puhul varased teadlased viivad elementi sageli valesti, moodustab boor stabiilsed kovalentsed sidemed, mis raskendavad nende eraldamist.

Elemendil number viis on ka võime absorbeerida suurt hulka neutroneid, muutes selle ideaalseks materjaliks tuumajuhtimisvarraste jaoks.

Värskeimad uuringud on näidanud, et ülijahutusega boor moodustab veel täiesti erineva aatomistruktuuri, mis võimaldab tal toimida ülijuhina.

Boori avastuse põhjustavad küll boraati uurivad Prantsuse ja Inglise keemikud mineraalidest 19. sajandi alguses, arvatakse, et elemendi puhast proovi ei toodetud aastani 1909.

Boormineraale (mida sageli nimetatakse ka boraatideks) olid inimesed juba sajandeid kasutanud. Booraks (looduslikult esinev naatriumboraat) esmakordset kasutamist kasutasid Araabia kullassepad, kes kasutasid ühendit fluksi abil kulla ja hõbeda puhastamiseks 8. sajandil A.D.

Samuti on näidatud, et Hiina keraamika 3. – 10. Sajandist pärinevad glasuurid kasutavad looduslikult esinevat ühendit.

Termiliselt stabiilse boorsilikaatklaasi leiutamine 1800. aastate lõpus pakkus boraatide mineraalide järele uut nõudlust. Kasutades seda tehnoloogiat, tutvustas Corning Glass Works 1915. aastal Pyrexi klaasnõusid.

Sõjajärgsetel aastatel kasvas boorirakenduste arv üha laienevatesse tööstusharudesse. Boornitriidi hakati kasutama Jaapani kosmeetikas ja 1951. aastal töötati välja boorkiudude tootmismeetod. Esimesed tuumareaktorid, mis tulid selle aja jooksul võrku, kasutasid kontrollpulkades ka boori.

1986. aasta Tšernobõli tuumakatastroofi vahetus tagajärjel visati radionukliidi eraldumise kontrollimiseks reaktorisse 40 tonni booriühendeid.

1980ndate alguses lõi ülitugevate haruldaste muldmetallide magnetide arendamine elemendi jaoks ka uue suure turu. Nüüd toodetakse igal aastal üle 70 tonni neodüüm-raud-boori (NdFeB) magneteid kasutamiseks kõigis asjades alates elektriautodest kuni kõrvaklappideni.

1990ndate lõpus hakati autodes kasutama boorterast konstruktsioonielementide, näiteks turvavarraste tugevdamiseks.

Ehkki maapõues eksisteerib üle 200 erinevat tüüpi boraatmineraali, moodustab see vaid neli enam kui 90 protsenti boori ja booriühendite - tinaali, kerniidi, kolemaniidi - kaubanduslikust ekstraheerimisest uleksiit.

Booripulbri suhteliselt puhta vormi saamiseks kuumutatakse mineraalides sisalduvat booroksiidi magneesiumi- või alumiiniumivooluga. Redutseerimisega saadakse elementaarne booripulber, mis on umbes 92 protsenti puhas.

Puhast boori saab toota boorhalogeniidide täiendava redutseerimise abil vesinikuga temperatuuril üle 1500 ° C (2732 F).

Pooljuhtides kasutamiseks vajalikku kõrge puhtusastmega boori saab valmistada diboraani lagundamisel kõrgel temperatuuril ja üksikute kristallide kasvatamisega tsoonisulamise või Czolchralski meetodi abil.

Kui igal aastal kaevandatakse üle kuue miljoni tonni boori sisaldavaid mineraale, siis suurem osa sellest on tarbitakse boraatsooladena, nagu boorhape ja booroksiid, ning väga vähe muundatakse elementaarbooriks. Tegelikult tarbitakse igal aastal vaid umbes 15 tonni elementaarboori.

Boori ja booriühendite kasutamise laius on äärmiselt lai. Mõnede hinnangul on elemendi erinevates vormides üle 300 erineva lõppkasutuse.

Viis peamist kasutusala on:

• Klaas (nt termiliselt stabiilne borosilikaatklaas)
• Keraamika (nt plaatglasuurid)
• Põllumajandus (nt boorhape vedelväetistes).
• Pesuained (nt naatriumperboraat pesupesemisvahendis)
• Pleegitusained (nt majapidamis- ja tööstuslikud plekieemaldajad)

Ehkki metallbooril on väga vähe kasutusvõimalusi, hinnatakse seda elementi paljudes metallurgilistes rakendustes kõrgelt. Eemaldades süsiniku ja muud lisandid, kuna see seostub rauaga, võib terasele lisatud väike kogus boori - vaid mõned miljondikosa - teha terasest neli korda tugevamaks kui keskmine ülitugev teras.

Elemendi võime metalloksiidkile lahustada ja eemaldada eemaldab selle ideaalselt ka räbustide keevitamiseks. Boortrikloriid eemaldab sulanud metallist nitriidid, karbiidid ja oksiidi. Selle tulemusel kasutatakse valmistamisel boorkloriidi alumiinium, magneesium, tsink ja vasesulamid.

Pulbermetallurias suurendab metallibooride olemasolu juhtivust ja mehaanilist tugevust. Raudmetallides suurendab nende olemasolu korrosioonikindlust ja karedust, samas kui titaanisulamid reaktiivraamides ja turbiini osades kasutatavad boriidid suurendavad mehaanilist tugevust.

Boorkiud, mis on valmistatud hüdriidielemendi sadestamisel volframtraadile, on tugevad, kerged konstruktsioonimaterjal, mis sobib kasutamiseks kosmose- ja kosmoserakendustes, samuti golfikeppide jaoks ja tugevate raskustega lint.

Boori lisamine NdFeB-magnetisse on ülitugevate püsimagnetite funktsioneerimisel kriitilise tähtsusega, mida kasutatakse tuuleturbiinides, elektrimootorites ja laias valikus elektroonikas.

Boori proktiivsus neutronite neeldumise suhtes võimaldab seda kasutada tuumajuhtimisvarrastes, kiirguskilpides ja neutronidetektorites.

Boorkarbiidi, mis on kolmas kõige tuntum aine, kasutatakse mitmesuguste relvide ja kuulikindlate vestide, samuti abrasiivide ja kulumisosade tootmisel.