지르코늄디보리드

Zirconium diboride
지르코늄디보리드
Magnesium-diboride-3D-balls.png
ZrB2 STM crop.png
(2×2) 재구성된 ZrB2 (0001) 표면의[1] STM 영상
이름
IUPAC 이름
지르코늄디보리드
기타 이름
ZrB2
식별자
ECHA InfoCard 100.031.772 Edit this at Wikidata
펍켐 CID
  • InChi=1S/B2.Zr/c1-2;
    키: NXBOAJBGIROOR-UHFFFAOYSA-N
특성.
ZrB2
어금질량 112.85 g/190
외관 회색 흑색 가루
밀도 6.085 g/cm3
녹는점 ~3246°C
불용성
구조
육각형, hP3
P6/mmm, 제191호
위험
주요 위험 조사되지 않음
달리 명시된 경우를 제외하고, 표준 상태(25°C [77°F], 100 kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공된다.
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Infobox 참조 자료

지르코늄 디보리드(ZrB2)는 6각형 결정 구조를 가진 공가성 내화성 세라믹 소재다. ZrB는2 녹는점이 3246°C인 초고온 세라믹(UHTC)이다. 이는 상대적으로 밀도가 낮은 ~6.09g/cm3(하프늄 불순물로 인해 측정된 밀도가 더 높을 수 있음), 고온 강도가 좋아 극초음속 비행이나 로켓 추진장치와 같은 고온 항공우주 애플리케이션의 후보지로 꼽힌다. 열전도율이 비교적 높은 특이한 세라믹으로 이소스트랄 티타늄 디보리드, 하프늄 디보라이드와 공유하는 특성이 있다.

ZrB2 부품은 보통 가열된 분말에 가해지는 압력을 가열한 후 형상에 맞게 가공한다. ZrB의2 소결은 소결 중 밀도가 높아지기 전에 곡물의 탄성을 증가시키는 물질의 공밸런스 특성과 표면 산화물의 존재에 의해 방해된다. ZrB의2 무압력 소결은 표면 산화물과 반응하여 소결 추진력을 증가시키는 붕소 카바이드, 탄소 등 소결 첨가제로 가능하지만 고온 압착 ZrB에2 비해 기계적 특성이 저하된다.[2]

ZrB에2 약 30%의 Vol% SiC를 추가하면 SiC를 통해 산화 저항성을 향상시키기 위해 ZrB에2 알루미늄의 보호 알루미나 층과 유사하게 보호 산화층을 형성한다.[3]

ZrB는2 초고온 세라믹 매트릭스 복합재(UHTCMCs)에 사용된다.[4][5][6][7][8][9][10][11]

탄소섬유 강화 지르코늄 디보리드 복합재료는 강성이 높은 반면 실리콘 카바이드 섬유 강화 지르코늄 디보리드 복합재료는 부서지기 쉬우며 치명적인 고장을 나타낸다.

준비

ZrB는2 구성 요소들, 이 경우 Zr과 B 사이의 확률계 반응에 의해 합성될 수 있다. 이 반응은 재료의 정밀한 기압계 제어를 제공한다.[12] 2000 K에서 스토오이하계 반응을 통한 ZrB2 형성은 열역학적으로 유리하므로(ΔG=-279.6 kJ mol−1) 이 경로를 이용하여 자체발현 고온합성(SHS)에 의한 ZrB를2 생산할 수 있다. 이 기법은 반응의 높은 발열 에너지를 이용하여 고온, 빠른 연소 반응을 일으킨다. SHS의 장점은 세라믹 제품의 순도 향상, 소결성 증가, 가공 시간 단축 등이다. 그러나 극도로 빠른 난방율은 Zr과 B의 불완전한 반응, Zr의 안정적인 산화물 형성, 다공성 유지 등을 초래할 수 있다. 소모분쇄(분쇄에 의한 마모물질) Zr과 B 분말(그 다음 6시간 동안 600 °C에서 고온으로 누름)의 반응에 의해서도 정지계 반응이 이루어졌으며, 소진분쇄 Zr과 B 전구체 결정체(크기 10nm)를 반응시켜 나노 크기의 입자를 얻었다.[13] 각각의 다이버라이드에 대한 ZrO와2 HfO의2 감소는 또한 야금 감소를 통해 달성될 수 있다. 값싼 전구 물질을 사용하고 아래의 반응에 따라 반응한다.

ZrO2 + B2O3 + 5Mg → ZrB2 + 5MgO

Mg는 원치 않는 산화물의 산성 침출을 허용하기 위해 반응제로 사용된다. 사용2 가능한 ZrO를 모두 소비하기 위해 Mg와 BO의23 스토이치계 초과가 야금류 감소 중에 필요한 경우가 많다. 이러한 반응은 발열성이며 SHS에 의한 디보리드를 생산하는 데 사용될 수 있다. ZrO에서 SHS를2 통해 ZrB를2 생산하면 리액터 변환이 불완전해지는 경우가 많아 일부 연구자가 이중 SHS(DSHS)를 채용했다.[14] ZrB2/ZrO2 혼합물과 함께 반응제로서 Mg와 HBO를33 사용한 두 번째 SHS 반응은 800 °C에서 25-40 nm의 입자 크기 및 디보라이드로의 변환을 증가시켰다. MgO는 야금성 감소와 DSHS 반응 후 경산 침출에 의해 ZrB로부터2 분리할 수 있다.

붕소 카바이드 감소에 의한 UHTC의 합성은 UHTC 합성을 위한 가장 인기 있는 방법 중 하나이다. 이 반응의 전구물질(ZrO2/TiO2/HfO2 및 BC4)은 스토이치계 반응과 붕소 반응에서 요구되는 것보다 저렴하다. ZrB는2 다음 반응에 의해 최소 1시간 동안 1600 °C 이상에서 준비한다.

2ZrO2 + B4C + 3C → 2ZrB2 + 4CO

이 방법은 붕소 카바이드 감소 시 일부 붕소가 산화되기 때문에 붕소를 약간 초과해야 한다. ZrC도 그 반응으로부터 하나의 제품으로 관찰되어 왔으나, BC4 20~25% 초과로 반응이 진행되면 ZrC 단계는 사라지고 ZrB만 남게2 된다. 낮은 합성 온도(약 1600 °C)는 더 미세한 입자 크기와 더 좋은 소결성을 나타내는 UHTC를 생성한다. 산화물 감소 및 확산 프로세스를 촉진하기 위해 붕소 카바이드 감소에 앞서 붕소 카바이드에 연삭을 실시해야 한다.

붕소 카바이드 감소는 UHTC 코팅이 필요할 경우 반응성 플라즈마 스프레이를 통해 수행할 수 있다. 전구체 또는 분말 입자는 고온(6000–15000 °C)에서 플라즈마와 반응하여 반응 시간을 크게 단축시킨다.[15] ZrB와2 ZrO2 페이즈는 각각 50V와 500A의 플라즈마 전압과 전류를 사용하여 형성되었다. 이 코팅 물질은 미세 입자와 다공성 마이크로 구조의 균일한 분포를 보여 수소 유량을 증가시킨다.

UHTCs의 합성을 위한 또 다른 방법은 ZrO2, TiO2 또는 HfO를2 B와 함께 하는 붕소 감소를 하는 것이다.[16] 1600 °C보다 높은 온도에서는 이 방법을 통해 순수한 다이버라이드를 얻을 수 있다. 붕소산화물로서 일부 붕소가 손실되어 붕소감소 시 초과 붕소가 필요하다. 기계식 밀링은 붕소 감소를 하는 동안 필요한 반응 온도를 낮출 수 있다. 이는 밀링 후 ZnO와2 B의 입자 크기가 감소함에 따라 입자 혼합과 격자 결점이 증가했기 때문이다. 이 방법은 또한 반응하는 동안 붕소산화물로 값비싼 붕소가 손실되어 산업용 용도에도 그다지 유용하지 않다.

ZrBweer의2 나노크리스탈은 Zoli의 반응에 의해 성공적으로 합성되었으며, 700 °C에서 1:4의 어금비 M:B를 사용하여 ZrO를24 700 °C에서 30분간 감소시켰다.[17][18]

ZrO2 + 3NaBH4 → ZrB2 + 2Na(g,l) + NaBO2 + 6H2(g)

ZrB는2 실질적인 연구가 거의 수행되지 않았지만 솔루션 기반 합성 방법으로도 준비할 수 있다. 솔루션 기반 방법을 사용하면 초미세 UHTC 분말을 저온 합성할 수 있다. 옌 외 무기 유기 전구체를 사용하여 ZrB2 분말을 합성했다. ZrOCl2•8HO2, 붕산 및 페놀 수지 1500°C.[19] 합성 분말은 200nm의 결정체 크기와 낮은 산소 함량(~1.0wt%)을 나타낸다. 중합체 전구체의 ZrB2 준비도 최근 조사되었다. ZrO와2 HfO는2 반응에 앞서 붕소 카바이드 폴리머 전구체로 분산될 수 있다. 반응 혼합물을 1500 °C로 가열하면 붕소 카바이드와 탄소가 현장 생성되고 ZrB로2 ZrO가2 감소한다.[20] 폴리머는 반응에 유용하기 위해 안정적이고 가공 가능하며 붕소와 탄소를 포함해야 한다. 데카보란과 함께 디니트릴의 응축으로 형성된 디니트릴 폴리머가 이러한 기준을 만족시킨다.

화학적 증기 증착은 지르코늄 디보리드를 준비하는데 사용될 수 있다. 수소 가스는 800℃ 이상의 기질 온도에서 지르코늄 테트라클로라이드와 붕소 트리클로라이드의 증기를 감소시키는데 사용된다.[21] 최근에는 ZrB의2 고품질 박막도 물리적 증착에 의해 준비될 수 있다.[22]

지르코늄 디보리드의 결함 및 2상

지르코늄 디보리드는 높은 원자 결함 에너지로부터 고온의 기계적 안정성을 얻는다(즉, 원자가 격자 부위에서 쉽게 이탈하지 않는다).[23] 고온에서도 결함의 농도가 낮게 유지돼 재료의 고장을 방지한다는 의미다.

각 층 사이의 층층 결합도 매우 강하지만, 세라믹이 'z' <001> 방향으로 열팽창을 달리하는 등 비등방성이 높다는 것을 의미한다. 재료는 우수한 고온 특성을 가지고 있지만, 지르코늄이나 붕소의 초과분은 ZrB2 격자에 수용되지 않으므로(즉, 재료가 스토이치측정법에서 벗어나지 않음) 세라믹을 극도로 주의하여 생산해야 한다. 대신에 극한 조건에서 고장을 일으킬 수 있는 추가적인 낮은 용해 지점 단계를 형성할 것이다.[23]

지르코늄디보리드의 확산과 투과

지르코늄 디보리드는 붕소와 하프늄이 존재하기 때문에 원자로 제어봉의 가능한 물질로 조사되기도 한다.

10B + nth → [11B] → α + 7Li + 2.31 MeV.

층층 구조는 헬륨 확산이 일어날 수 있는 평면을 제공한다. 그는 붕소-10의 투과 생산물(위 반응의 알파 입자)로 형성되며, 지르코늄과 붕소 층 사이의 격자를 통해 빠르게 이동하지만 'z' 방향은 아니다. 관심의 대상으로는 다른 변환제품인 리튬이 붕소-10 변환에 의해 생성되어 격자로부터 방출되지 않는 붕소 공실에 갇힐 가능성이 있다.[23]

참조

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