जिरकोनियम डिबोराइड

जिरकोनियम डाइबोराइड (ZrB2) हेक्सागोनल क्रिस्टल संरचना के साथ एक अत्यधिक सहसंयोजक दुर्दम्य सिरेमिक सामग्री है। ZrB2 3246 डिग्री सेल्सियस के पिघलने बिंदु के साथ एक अति-उच्च तापमान सिरेमिक (यूएचटीसी) है। यह ~6.09 g/cm के अपेक्षाकृत कम घनत्व के साथ है3 (हेफ़नियम अशुद्धियों के कारण मापा घनत्व अधिक हो सकता है) और अच्छी उच्च तापमान शक्ति इसे उच्च तापमान वाले एयरोस्पेस अनुप्रयोगों जैसे हाइपरसोनिक उड़ान या रॉकेट प्रणोदन प्रणाली के लिए एक उम्मीदवार बनाती है। यह एक असामान्य सिरेमिक है, जिसमें अपेक्षाकृत उच्च तापीय और विद्युत चालकता होती है, गुण यह समसंरचनात्मक   टाइटेनियम लीक हो रहा है  और हेफ़नियम उत्सर्जित करता है के साथ साझा करता है।

ZrB2 भागों को आमतौर पर गर्म दबाव (गर्म पाउडर पर दबाव डाला जाता है) और फिर आकार देने के लिए मशीनीकृत किया जाता है। ZrB की सिंटरिंग2 सामग्री की सहसंयोजक प्रकृति और सतह ऑक्साइड की उपस्थिति से बाधा उत्पन्न होती है जो सिंटरिंग से पहले अनाज की वृद्धि को बढ़ाती है # सिंटरिंग के दौरान घनत्व, विट्रीफिकेशन और अनाज की वृद्धि। ZrB की दबाव रहित सिंटरिंग2 बोरान कार्बाइड और कार्बन जैसे सिंटरिंग एडिटिव्स के साथ संभव है जो सिंटरिंग के लिए ड्राइविंग बल को बढ़ाने के लिए सतह ऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करते हैं लेकिन यांत्रिक गुणों को गर्म दबाए गए ZrB की तुलना में नीचा दिखाया जाता है2. ZrB में ~30 वॉल्यूम% SiC का योग2 अक्सर ZrB में जोड़ा जाता है2 SiC के माध्यम से ऑक्सीकरण प्रतिरोध में सुधार करने के लिए एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत बनाना - एल्यूमीनियम की सुरक्षात्मक एल्यूमिना परत के समान। ZrB2 अति उच्च तापमान सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट (यूएचटीसीएमसी) में प्रयोग किया जाता है। कार्बन फाइबर प्रबलित जिरकोनियम डाइबोराइड कंपोजिट उच्च क्रूरता दिखाते हैं जबकि सिलिकॉन कार्बाइड फाइबर प्रबलित जिरकोनियम डाइबोराइड कंपोजिट भंगुर होते हैं और एक भयावह विफलता दिखाते हैं।

तैयारी
ZrB2 घटक तत्वों के बीच स्टोइकोमेट्रिक प्रतिक्रिया द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है, इस मामले में zirconium और बोरान। यह प्रतिक्रिया सामग्री के सटीक स्टोइकोमेट्रिक नियंत्रण प्रदान करती है। 2000 K पर, ZrB का गठन2 स्टोइकोमेट्रिक प्रतिक्रिया के माध्यम से थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल है (ΔG=−279.6 kJ mol-1) और इसलिए, इस मार्ग का उपयोग ZrB के उत्पादन के लिए किया जा सकता है2 स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण (SHS) द्वारा। यह तकनीक उच्च तापमान, तेज दहन प्रतिक्रियाओं के कारण प्रतिक्रिया की उच्च एक्ज़ोथिर्मिक ऊर्जा का लाभ उठाती है। SHS के लाभों में सिरेमिक उत्पादों की उच्च शुद्धता, बढ़ी हुई सिंटरेबिलिटी और कम प्रसंस्करण समय शामिल हैं। हालांकि, अत्यंत तीव्र ताप दर के परिणामस्वरूप Zr और B के बीच अपूर्ण प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं, Zr के स्थिर ऑक्साइड का निर्माण हो सकता है, और सरंध्रता का प्रतिधारण हो सकता है। स्टोइकोमीट्रिक प्रतिक्रियाएं एट्रिशन मिल्ड (पीसकर सामग्री पहने हुए) Zr और B पाउडर (और फिर 6 घंटे के लिए 600 डिग्री सेल्सियस पर गर्म दबाव) की प्रतिक्रिया से भी की गई हैं, और नैनोस्केल कण रिएक्शन मिल्ड Zr और B प्रीकर्सर द्वारा प्राप्त किए गए हैं (रसायन विज्ञान) स्फटिक (आकार में 10 एनएम)। ZrO की कमी2 और एचएफओ2 उनके संबंधित डिबोराइड्स को मेटलोथर्मिक कमी के माध्यम से भी प्राप्त किया जा सकता है। सस्ती अग्रदूत सामग्री का उपयोग किया जाता है और नीचे दी गई प्रतिक्रिया के अनुसार प्रतिक्रिया की जाती है:


 * ZrO2 + बी2O3 + 5Mg → ZrB2 + 5एमजीओ

अवांछित ऑक्साइड उत्पादों के एसिड लीचिंग की अनुमति देने के लिए Mg को एक अभिकारक के रूप में उपयोग किया जाता है। Mg और B का रससमीकरणमितीय आधिक्य2O3 सभी उपलब्ध ZrO का उपभोग करने के लिए अक्सर मेटलोथर्मिक कटौती के दौरान आवश्यक होते हैं2. ये प्रतिक्रियाएं एक्ज़ोथिर्मिक हैं और एसएचएस द्वारा डाइबोराइड्स का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। ZrB का उत्पादन2 जिरकोनियम डाइऑक्साइड से|ZrO2एसएचएस के माध्यम से अक्सर अभिकारकों का अधूरा रूपांतरण होता है, और इसलिए कुछ शोधकर्ताओं द्वारा डबल एसएचएस (डीएसएचएस) को नियोजित किया गया है। Mg और बोरिक एसिड|H के साथ एक दूसरी SHS अभिक्रिया3बो3ZrB के साथ अभिकारकों के रूप में2/ZrO2 मिश्रण से डाइबोराइड में रूपांतरण में वृद्धि होती है, और 800 डिग्री सेल्सियस पर 25-40 एनएम के कण आकार होते हैं। मेटलोथर्मिक कमी और DSHS प्रतिक्रियाओं के बाद, MgO को ZrB से अलग किया जा सकता है2 हल्के निक्षालन (धातु विज्ञान) द्वारा।

बोरॉन कार्बाइड रिडक्शन द्वारा यूएचटीसी का संश्लेषण यूएचटीसी संश्लेषण के लिए सबसे लोकप्रिय तरीकों में से एक है। इस प्रतिक्रिया के लिए अग्रदूत सामग्री (ZrO2/ टीआईओ2/एचएफओ2 और बोरॉन कार्बाइड | बी4C) रससमीकरणमितीय और बोरोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक की तुलना में कम खर्चीले हैं। ZrB2 निम्नलिखित प्रतिक्रिया द्वारा कम से कम 1 घंटे के लिए 1600 डिग्री सेल्सियस से अधिक पर तैयार किया जाता है:


 * 2ZrO2 + बी4सी + 3सी → 2ZrB2 + 4CO

इस विधि में बोरोन की थोड़ी अधिक मात्रा की आवश्यकता होती है, क्योंकि बोरान कार्बाइड में कमी के दौरान कुछ बोरान का ऑक्सीकरण होता है। जिरकोनियम कार्बाइड को प्रतिक्रिया से एक उत्पाद के रूप में भी देखा गया है, लेकिन अगर प्रतिक्रिया 20-25% अतिरिक्त बी के साथ की जाती है4C, ZrC चरण गायब हो जाता है, और केवल ZrB2 खंडहर। कम संश्लेषण तापमान (~1600 डिग्री सेल्सियस) यूएचटीसी का उत्पादन करते हैं जो बेहतर अनाज के आकार और बेहतर सिंटरेबिलिटी प्रदर्शित करते हैं। ऑक्साइड की कमी और प्रसार प्रक्रियाओं को बढ़ावा देने के लिए बोरान कार्बाइड को बोरान कार्बाइड में कमी से पहले पीसने के अधीन होना चाहिए।

यदि UHTC कोटिंग वांछित है तो प्रतिक्रियाशील प्लाज्मा छिड़काव के माध्यम से बोरान कार्बाइड की कमी भी की जा सकती है। प्रीकर्सर या पाउडर कण उच्च तापमान (6000-15000 डिग्री सेल्सियस) पर प्लाज्मा के साथ प्रतिक्रिया करते हैं जो प्रतिक्रिया समय को बहुत कम कर देता है। ZrB2 और ZrO2 क्रमशः 50 वी और 500 ए के प्लाज्मा वोल्टेज और करंट का उपयोग करके चरण बनाए गए हैं। ये कोटिंग सामग्री ठीक कणों और झरझरा माइक्रोस्ट्रक्चर के समान वितरण को प्रदर्शित करती हैं, जिससे हाइड्रोजन प्रवाह माप में वृद्धि हुई है।

UHTCs के संश्लेषण के लिए एक अन्य विधि ZrO की बोरोथर्मिक कमी है2, टीआईओ2, या एचएफओ2 बी के साथ 1600 °C से अधिक तापमान पर, इस विधि से शुद्ध डाइबोराइड्स प्राप्त किए जा सकते हैं। बोरॉन ऑक्साइड के रूप में कुछ बोरॉन के नुकसान के कारण, बोराथर्मिक कमी के दौरान अतिरिक्त बोरॉन की आवश्यकता होती है। यांत्रिक मिलिंग बोथर्मिक कमी के दौरान आवश्यक प्रतिक्रिया तापमान को कम कर सकता है। यह बढ़े हुए कण मिश्रण और जाली दोषों के कारण है जो कि ZnO के कण आकार में कमी के परिणामस्वरूप होता है2 और बी मिलिंग के बाद। प्रतिक्रिया के दौरान बोरान ऑक्साइड के रूप में महंगा बोरॉन के नुकसान के कारण यह विधि औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए भी बहुत उपयोगी नहीं है।

ZrB के नैनोक्रिस्टल2ज़ोली की प्रतिक्रिया द्वारा सफलतापूर्वक संश्लेषित किया गया, ZrO की कमी2 विथ नाभ4 आर्गन प्रवाह के तहत 30 मिनट के लिए 700 °C पर मोलर अनुपात M:B का 1:4 का उपयोग करना।
 * ZrO2 + अन्नाबा4 → जेआरबी2 + मैं (सी, एल) + क्यू2 + ताहा2(जी)

ZrB2 समाधान-आधारित संश्लेषण विधियों से भी तैयार किया जा सकता है, हालांकि कुछ पर्याप्त अध्ययन किए गए हैं। समाधान-आधारित विधियां अल्ट्राफाइन यूएचटीसी पाउडर के निम्न तापमान संश्लेषण की अनुमति देती हैं। यान एट अल। ZrB का संश्लेषण किया है2 अकार्बनिक-कार्बनिक अग्रदूत ZrOC का उपयोग कर पाउडरl2•8ह21500 डिग्री सेल्सियस पर हे, बोरिक एसिड और फेनोलिक राल। संश्लेषित पाउडर 200 एनएम क्रिस्टलीय आकार और कम ऑक्सीजन सामग्री (~ 1.0 wt%) प्रदर्शित करते हैं। ZrB2 पॉलिमरिक अग्रदूतों से तैयारी की भी हाल ही में जांच की गई है। ZrO2 और एचएफओ2 प्रतिक्रिया से पहले बोरॉन कार्बाइड पॉलिमरिक अग्रदूतों में फैलाया जा सकता है। प्रतिक्रिया मिश्रण को 1500 °C तक गर्म करने से बोरॉन कार्बाइड और कार्बन का सीटू उत्पादन होता है, और ZrO की कमी होती है2 यह ZrB2 जल्द ही अनुसरण करता है। बहुलक स्थिर, प्रक्रिया योग्य होना चाहिए, और प्रतिक्रिया के लिए उपयोगी होने के लिए बोरॉन और कार्बन शामिल होना चाहिए। डाइनिट्राइल के साथ डाइनिट्राइल के संघनन से बनने वाले डाइनिट्राइल पॉलिमर इन मानदंडों को पूरा करते हैं।

जिरकोनियम डाइबोराइड तैयार करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव का उपयोग किया जा सकता है। 800 डिग्री सेल्सियस से अधिक सब्सट्रेट तापमान पर जिरकोनियम टेट्राक्लोराइड और बोरॉन ट्राइक्लोराइड के वाष्प को कम करने के लिए हाइड्रोजन गैस का उपयोग किया जाता है। हाल ही में, ZrB की उच्च गुणवत्ता वाली पतली फिल्में2 भौतिक वाष्प जमाव द्वारा भी तैयार किया जा सकता है।

जिरकोनियम डाइबोराइड
में दोष और द्वितीयक चरण ज़िरकोनियम डाइबोराइड उच्च बिंदु दोष ऊर्जा से अपनी उच्च तापमान यांत्रिक स्थिरता प्राप्त करता है (अर्थात परमाणु अपने जाली स्थलों से आसानी से विचलित नहीं होते हैं)। इसका मतलब यह है कि उच्च तापमान पर भी दोषों की सघनता कम रहेगी, जिससे सामग्री की भौतिक विफलता को रोका जा सकेगा।

प्रत्येक परत के बीच स्तरित बंधन भी बहुत मजबूत है लेकिन इसका मतलब है कि सिरेमिक अत्यधिक अनिसोट्रोपिक है, जिसमें 'z' दिशा में विभिन्न तापीय विस्तार होते हैं। हालांकि सामग्री में उत्कृष्ट उच्च तापमान गुण हैं, सिरेमिक को बेहद सावधानी से तैयार किया जाना चाहिए क्योंकि ज़िरकोनियम या बोरॉन के किसी भी अतिरिक्त को ZrB में समायोजित नहीं किया जाएगा।2 जाली (यानी सामग्री स्तुईचिओमेटरी से विचलित नहीं होती है)। इसके बजाय यह अतिरिक्त यूटेक्टिक प्रणाली  बनाएगा जो अत्यधिक परिस्थितियों में विफलता की शुरुआत कर सकता है।

ज़िरकोनियम डाइबोराइड
में प्रसार और संचारण बोरॉन की उपस्थिति के कारण परमाणु रिएक्टर नियंत्रण छड़ के लिए जिरकोनियम डाइबोराइड की संभावित सामग्री के रूप में भी जांच की जाती है।
 * 10बी + एनth → [11बी] → α + 7ली + 2.31 मेव।

स्तरित संरचना होने के लिए हीलियम परमाणु प्रसार के लिए एक विमान प्रदान करता है। वह बोरॉन -10 के परमाणु रूपांतरण के रूप में बनता है - यह उपरोक्त प्रतिक्रिया में अल्फा कण है - और ज़िरकोनियम और बोरॉन की परतों के बीच जाली के माध्यम से तेजी से पलायन करेगा, हालांकि 'z' दिशा में नहीं। ब्याज की बात यह है कि अन्य रूपांतरण उत्पाद, लिथियम, बोरॉन रिक्तियों में फंसे होने की संभावना है जो बोरॉन -10 संक्रामण द्वारा उत्पादित होते हैं और क्रिस्टल संरचना से मुक्त नहीं होते हैं।