탄화 붕소 문서 원본 보기

{{Chembox
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| Name = 탄화 붕소
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| IUPACName = 탄화 붕소
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| InChI = 1/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2
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|Section2={{Chembox Properties
| Formula = B<sub>4</sub>C
| MolarMass = 55.255 g/mol
| Appearance = 짙은 회색 또는 검은색 분말, 무취
| Density = 2.50 g/cm<sup>3</sup>, 고체.<ref name=crc>{{서적 인용|ref=Haynes| editor= Haynes, William M. | date = 2016| title = [[CRC Handbook of Chemistry and Physics]] | edition = 97th | publisher = [[CRC Press]] | isbn = 9781498754293|page=4.52}}</ref>
| Solubility = 불용성
| MeltingPtC = 2350
| MeltingPt_ref =<ref name=crc/>
| BoilingPt = >3500 °C
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| CrystalStruct = [[마름모꼴 결정계|마름모꼴]]
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|Section7={{Chembox Hazards
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|Section8={{Chembox Related
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| OtherCompounds = [[질화 붕소]]
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'''탄화 붕소'''(Boron carbide, 화학식 약 B<sub>4</sub>C)는 매우 단단한 [[붕소]]-[[탄소]] [[세라믹]]이며, [[공유 결합 화합물]]로서 [[전차 장갑|탱크 장갑]], [[방탄복]], 엔진 [[사보타주]] 분말 등에 사용될 뿐만 아니라<ref>
{{서적 인용| last= Gray
 | first= Theodore
 | title= The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe
 | publisher= Black Dog & Leventhal Publishers
 | date= 2012-04-03
 | isbn= 9781579128951
 | url= https://books.google.com/books?id=IOY-8hxTJVAC&q=boron+carbide+sabotage+powder&pg=PT24
 | access-date= 6 May 2014
}}
</ref>
수많은 산업 분야에도 사용된다. [[비커스 굳기]] 30 GPa 이상으로, 입방정 [[질화 붕소]]와 [[다이아몬드]] 다음으로 가장 단단한 물질 중 하나이다.<ref>
{{뉴스 인용| title= Rutgers working on body armor
 | url= http://www.app.com/article/20120811/NJNEWS/308110051/Rutgers-working-on-body-armor
 | quote= ... boron carbide is the third-hardest material on earth.
 | newspaper= [[Asbury Park Press]]
 | location = 아스버리 파크, 뉴저지
 | date= August 11, 2012
 | access-date= 2012-08-12
}}
</ref>

== 역사 ==
탄화 붕소는 19세기에 금속 보라이드와 관련된 반응의 [[부산물]]로 발견되었지만, 그 [[화학식]]은 알려지지 않았다. 화학적 조성이 B<sub>4</sub>C로 추정된 것은 1930년대에 이르러서였다.<ref>Ridgway, Ramond R [http://v3.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=CA&NR=339873&KC=&FT=E "Boron Carbide"] {{웹아카이브|url=https://web.archive.org/web/20090404105356/http://v3.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=CA&NR=339873&KC=&FT=E}}, 유럽 특허 CA339873 (A), 발행일: 1934-03-06</ref>
실제로 이 재료는 이 공식에 비해 항상 탄소가 약간 부족하고 [[엑스선결정학]]에 따르면 구조가 매우 복잡하며 C-B-C 사슬과 B<sub>12</sub> [[이십면체]]가 혼합되어 있어 이 물질이 정확히 4:1 [[화학량론]]을 갖는지 여부에 대한 논란이 남아있었다.

이러한 특징은 매우 간단한 B<sub>4</sub>C 경험식에 반대되는 주장을 뒷받침했다.<ref name=stoi>
{{서적 인용| title= Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections
 | first1= Musiri M.
 | last1= Balakrishnarajan
 | first2= Pattath D.
 | last2= Pancharatna
 | first3= Roald
 | last3= Hoffmann
 | journal= New J. Chem.
 | year= 2007
 | issue= 4
 | volume= 31
 | page= 473
 | doi= 10.1039/b618493f
 | url= http://www.rsc.org/Publishing/Journals/nj/Hotarticles/B618493F_Hoffmann.asp
| url-access= subscription
 }}
</ref>
B<sub>12</sub> 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B<sub>4</sub>C가 아니라 B<sub>12</sub>C<sub>3</sub>로 쓰이며, 탄화 붕소의 탄소 부족은 B<sub>12</sub>C<sub>3</sub>와 B<sub>12</sub>CBC 단위의 조합으로 설명된다.

== 결정 구조 ==
[[파일:Borfig11a.png|섬네일|왼쪽|upright=0.66|B<sub>4</sub>C의 [[단위 격자]]. 녹색 구와 [[이십면체]]는 붕소 원자로 구성되어 있고, 검은색 구는 탄소 원자이다.<ref name=zhangyb28.5c4>{{서적 인용|vauthors=Zhang FX, Xu FF, Mori T, Liu QL, Sato A, Tanaka T |year=2001|title=Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4|journal=J. Alloys Compd.|volume=329|issue=1–2|pages=168–172|doi=10.1016/S0925-8388(01)01581-X}}</ref>]]
[[파일:Borfig12a.png|섬네일|왼쪽|upright=0.66|B<sub>4</sub>C 결정 구조의 조각.]]

탄화 붕소는 [[붕소가 풍부한 금속 보라이드의 결정 구조|이십면체 기반 보라이드]]의 전형적인 복잡한 결정 구조를 가지고 있다. 여기서 B<sub>12</sub> [[이십면체]]는 [[단위 격자]] 중심에 위치한 C-B-C 사슬을 둘러싸는 [[마름모꼴 결정계|마름모꼴]] 격자 단위(공간군: R{{윗줄|3}}m (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. B<sub>12</sub> 이십면체와 가교 [[탄소]]는 c-평면에 평행하게 퍼져 c-축을 따라 쌓이는 네트워크 평면을 형성한다. 격자는 B<sub>12</sub> 이십면체와 B<sub>6</sub> [[팔면체]]의 두 가지 기본 구조 단위를 가지고 있다. B<sub>6</sub> 팔면체의 작은 크기 때문에 서로 연결될 수 없다. 대신 인접한 층의 B<sub>12</sub> 이십면체에 결합하며, 이는 c-평면의 결합 강도를 감소시킨다.<ref name=zhangyb28.5c4/>

B<sub>12</sub> 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B<sub>4</sub>C가 아니라 B<sub>12</sub>C<sub>3</sub>로 쓰이며, 탄화 붕소의 탄소 부족은 B<sub>12</sub>C<sub>3</sub>와 B<sub>12</sub>C<sub>2</sub> 단위의 조합으로 설명된다.<ref name=stoi/><ref name=gr/> 일부 연구에서는 하나 이상의 탄소 원자가 붕소 이십면체에 포함될 가능성을 시사하며, 화학량론의 탄소 함량이 높은 쪽에서는 (B<sub>11</sub>C)CBC = B<sub>4</sub>C와 같은 화학식을, 붕소 함량이 높은 쪽에서는 B<sub>12</sub>(CBB) = B<sub>14</sub>C와 같은 화학식을 제시한다. 따라서 "탄화 붕소"는 단일 화합물이 아니라 다양한 조성의 화합물 계열이다. 일반적으로 발견되는 원소 비율을 근사하는 공통 중간체는 B<sub>12</sub>(CBC) = B<sub>6.5</sub>C이다.<ref name="Domnich2011">{{서적 인용| last1 = Domnich | first1 = Vladislav | last2 = Reynaud | first2 = Sara | last3 = Haber | first3 = Richard A. | last4 = Chhowalla | first4 = Manish | year = 2011 | title = Boron Carbide: Structure, Properties, and Stability under Stress | url = http://nanotubes.rutgers.edu/PDFs/Domnich.2011.JACerS.pdf | journal = J. Am. Ceram. Soc. | volume = 94 | issue = 11 | pages = 3605–3628 | doi = 10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x | access-date = 23 July 2015 | archive-url = https://web.archive.org/web/20141227081802/http://nanotubes.rutgers.edu/PDFs/Domnich.2011.JACerS.pdf | archive-date = 27 December 2014 | url-status = dead }}</ref> 양자 역학적 계산은 결정 내 다양한 위치에 있는 붕소와 탄소 원자 사이의 배열 무질서가 여러 재료 특성, 특히 B<sub>4</sub>C 조성의 결정 대칭성<ref>{{서적 인용| last1 = Ektarawong | first1 = A. | last2 = Simak | first2 = S. I. | last3 = Hultman | first3 = L. | last4 = Birch | first4 = J. | last5 = Alling | first5 = B. | year = 2014 | title = First-principles study of configurational disorder in B<sub>4</sub>C using a superatom-special quasirandom structure method | journal = Phys. Rev. B | volume = 90 | issue = 2| page = 024204 | doi = 10.1103/PhysRevB.90.024204 |arxiv = 1508.07786 |bibcode = 2014PhRvB..90b4204E | s2cid = 39400050 }}</ref> 및 B<sub>13</sub>C<sub>2</sub> 조성의 비금속 전기적 특성을 결정함을 보여주었다.<ref>{{서적 인용| last1 = Ektarawong | first1 = A. | last2 = Simak | first2 = S. I. | last3 = Hultman | first3 = L. | last4 = Birch | first4 = J. | last5 = Alling | first5 = B. | year = 2015 | title = Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B<sub>13</sub>C<sub>2</sub> studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method | journal = Phys. Rev. B | volume = 92 | issue = 1| page = 014202 | doi = 10.1103/PhysRevB.92.014202 |arxiv = 1508.07848 |bibcode = 2015PhRvB..92a4202E | s2cid = 11805838 }}</ref>

== 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.<ref name=w330>Weimer, p. 330</ref> [[비커스 굳기]] (38 GPa), [[탄성 계수]] (460 GPa)<ref>{{서적 인용| last1 = Sairam | first1 = K. | last2 = Sonber | first2 = J.K. | last3 = Murthy | first3 = T.S.R.Ch. | last4 = Subramanian | first4 = C. | last5 = Hubli | first5 = R.C. | last6 = Suri | first6 = A.K. | year = 2012 | title = Development of B4C-HfB2 composites by reaction hot pressing | journal = Int.J. Ref. Met. Hard Mater | volume = 35 | pages = 32–40 | doi=10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004}}</ref>, [[파괴 인성]] (3.5 MPa·m<sup>1/2</sup>)은 [[다이아몬드]]의 해당 값 (1150 GPa 및 5.3 MPa·m<sup>1/2</sup>)에 근접한다.<ref>{{서적 인용| title = Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5| first1 = V. L.|last1 = Solozhenko|journal = Phys. Rev. Lett.| volume = 102| page = 015506|year = 2009| doi = 10.1103/PhysRevLett.102.015506| last2 = Kurakevych| first2 = Oleksandr O.| last3 = Le Godec| first3 = Yann| last4 = Mezouar| first4 = Mohamed| last5 = Mezouar| first5 = Mohamed| pmid=19257210| bibcode=2009PhRvL.102a5506S| issue = 1| url = http://bib-pubdb1.desy.de/record/87949/files/GetPDFServlet.pdf}}</ref>

{{As of|2015}}, 탄화 붕소는 [[다이아몬드]]와 [[입방정 질화 붕소]]에 이어 알려진 물질 중 세 번째로 단단한 물질이며, "검은 다이아몬드"라는 별명을 얻었다.<ref>{{웹 인용|url= http://www.precision-ceramics.co.uk/boron-carbide.htm |title= 탄화 붕소 |publisher= 프리시전 세라믹스 |access-date= 2015-06-20 |url-status= dead |archive-url= https://web.archive.org/web/20150620124737/http://www.precision-ceramics.co.uk/boron-carbide.htm |archive-date= 2015-06-20 }}</ref><ref>{{서적 인용|doi= 10.1142/S2010194512001894 |author1=A. Sokhansanj |author2=A.M. Hadian |title= Purification of Attrition Milled Nano-size Boron Carbide Powder |journal= International Journal of Modern Physics: Conference Series |volume= 5 |year= 2012 |pages= 94–101 |bibcode = 2012IJMPS...5...94S }}</ref>

=== 반도체 특성 ===
탄화 붕소는 [[반도체]]로, [[건너뛰기 전도|호핑형 전도]]가 지배적인 전자적 특성을 가지고 있다.<ref name="Domnich2011" /> 에너지 [[띠틈]]은 조성뿐만 아니라 정렬 정도에 따라 달라진다. [[띠틈]]은 2.09 eV로 추정되며, [[광발광]] 스펙트럼을 복잡하게 만드는 여러 개의 띠틈 중간 상태가 있다.<ref name="Domnich2011" /> 이 재료는 일반적으로 p형이다.

== 제조 ==
탄화 붕소는 1899년 [[앙리 무아상]]에 의해 처음 합성되었다.<ref name=gr>{{Greenwood&Earnshaw2nd|p=149}}</ref> 이는 전기 [[아크 용광로]]에서 [[탄소]] 존재 하에 [[삼산화 붕소]]를 [[탄소]] 또는 [[마그네슘]]으로 환원시켜 얻었다. 탄소의 경우, 반응은 B<sub>4</sub>C의 [[녹는점]] 이상의 온도에서 일어나며 다량의 [[일산화 탄소]] 방출을 수반한다.<ref name=w131>Weimer, p. 131</ref>
:2 B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 7 C → B<sub>4</sub>C + 6 CO

마그네슘을 사용하는 경우, 반응은 흑연 [[도가니]]에서 수행할 수 있으며, 마그네슘 부산물은 산 처리로 제거된다.<ref>Patnaik, Pradyot (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. {{ISBN|0-07-049439-8}}</ref>

[[파일:Plastic with boron carbide.jpg|섬네일|upright|영국 [[원자력 연구소]]의 중성자 실험에서 차폐재로 사용되는 탄화붕소를 삽입한 플라스틱]]
== 응용 분야 ==
[[파일:Bodyarmor.jpg|섬네일|upright|[[방탄 조끼]]의 내부 판으로 사용되는 탄화 붕소]]
붕소의 뛰어난 경도는 다음과 같은 응용 분야에 사용될 수 있다.
* [[맹꽁이자물쇠]]
*개인 및 차량 탄도 [[장갑]]
* [[샌드블라스팅|그릿 블라스팅]] 노즐
* [[워터젯 절단기|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 흡수체|중성자 흡수재]] [[원자력 발전소]] (아래 참조)
* [[고에너지 연료]] [[고체 연료 램제트]]

=== 핵 응용 분야 ===
탄화 붕소가 장수명 [[방사성 동위 원소]]를 생성하지 않고 [[중성자 포획|중성자]]를 [[중성자 흡수체|흡수]]하는 특성은 [[핵 발전소]]의 제어봉에 사용되는 것과 같은 매력적인 [[중성자 방사선]] 차폐 또는 흡수재가 된다.<ref>[https://books.google.com/books?id=czTi4G6-Hq8C&dq=Carborundum+B4C+nuclear&pg=PA311 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</ref> 탄화 붕소의 핵 응용 분야에는 차폐 및 반응 제어(제어봉)가 포함된다.<ref name=w330>Weimer, p. 330</ref>

===탄화 붕소 필라멘트===
[[탄화 붕소]] 필라멘트는 뛰어난 강도, 탄성 계수, 저밀도 특성으로 인해 수지 및 금속 복합 재료의 보강 요소로서 유망한 전망을 보인다.<ref>{{서적 인용|last1=Higgins |first1=J.B |last2=Gatti |first2=A. |title=Preparation and Properties of Boron Carbide Continuous Filaments |url=https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.2411733 |journal=Journal of the Electrochemical Society |date=1969 |volume=116 |issue=1 |article-number=1 |page=137 |doi=10.1149/1.2411733 |bibcode=1969JElS..116..137H |access-date=May 28, 2024|url-access=subscription }}</ref> 또한, [[탄화 붕소]] 필라멘트는 [[중성자 포획]] 능력이 있어 방사선의 영향을 받지 않는다.<ref>{{웹 인용|url=https://www.preciseceramic.com/blog/boron-carbide-filament-properties-applications.html |title=Boron Carbide Filament: Properties & Applications |last=Rose |first=Lisa |website=Precise Ceramic |access-date=May 28, 2024}}</ref> [[카드뮴]]과 같은 다른 재료로 만든 필라멘트보다 덜 유해하다.<ref>{{웹 인용|url=https://www.nanotrun.com/blog/what-is-boron-carbide_b0434.html |title=What is boron carbide? |date=July 29, 2022 |website=Trunnano |access-date=May 28, 2024}}</ref>

== 각주 ==
{{각주}}

{{위키데이터 속성 추적}}

[[분류:붕소 화합물]]
[[분류:탄화물]]
[[분류:초경재료]]