The oxidation of boron carbide (B4C) during storage at ambient conditions

Abstract

Borkarbid, med sine utmerkede mekaniske egenskaper, har flere bruksområder i dag. De viktigste av disse er som energiabsorbent i skuddsikre vester og i forskjellige slipemaskiner. Borkarbid brukes som material til kontrollstaver i atomreaktorer, på grunn av dets evne til å absorbere frie nøytroner. En betydelig ulempe med borkarbid er imidlertid at det oksideres av oksygen og/eller fuktighet, noe som over tid reduserer materialets mekaniske egenskaper.

Selv om oksidasjonshastigheten er forholdsvis lav, utgjør dette fortsatt et problem, særlig ved langtidslagring eller ved forhøyede temperaturer. Formålet med denne oppgaven har vært:

• Å bedre kunnskapen om oksidasjonsprosessen til borkarbid. Dette kan potensielt føre til mer langvarige borkarbidprodukter, mindre materialavfall og bidra til at borkarbid kan utkonkurrere lignende materialer i nye bruksområder.

Det er begrenset med forskning innenfor området. Prosjektet er gjennomført i samarbeid med FIVEN AS' fabrikk i Lillesand, Norges ledende produsent av silisiumkarbid. Resultatene fra NTNU indikerer at amorft grafitt dannes som følge av oksidasjon av borkarbid under lagring, og at pulveret med lengst lagringstid hadde det høyeste grafittinnholdet.

På grunn av den relativt lave oksidasjonshastigheten under normale forhold, ble utvalgte prøver av borkarbid varmebehandlet i ulike atmosfærer under laboratoriearbeidet, for å simulere lagring over lengre tid. Analyser av disse prøvene indikerer en betydelig oksidasjonshastighet i tørr luft, med en ytterligere økning av reaksjonshastigheten når fuktighet også er til stede. Varmebehandling i fuktighet i fravær av oksygen resulterte i ubetydelige mengder reaksjonsprodukter.

Boron carbide, with its exceptional mechanical properties, has several areas of use today. Major applications are as an energy absorber in protective armors and for grinding purposes. Boron carbide is commonly used in control rods in nuclear reactors, because of its ability to absorb free neutrons. However, a significant drawback with boron carbide is that it is oxidized by oxygen and/or humidity at ambient conditions, resulting in reduced mechanical properties.

Albeit the oxidation rate is relatively low, it is still a concern, especially for long-time storage or at elevated temperatures. The objective of this thesis can be summarized as follows:

• Gaining better understanding of the oxidation process could potentially lead to more long-lasting boron carbide products, less material waste and even let boron outperform similar materials in new areas of use.

There is limited research in the field. This research has been conducted in cooperation with FIVEN AS’ factory in Lillesand – Norway’s leading silicon carbide producer. The results obtained at NTNU indicate that amorphous graphite is formed as a product of oxidation of boron carbide during storage at ambient conditions, and that the oldest batch of as-received powder had the highest graphite content.

Due to the relatively low oxidation rate at ambient conditions, selected boron carbide samples were heat-treated in different atmospheres during the lab work to simulate prolonged storage. Analyses of these samples indicate a significant oxidation rate in dry air, with the reaction rate further enhanced when humidity is also present. Heat treatment in humidity in the absence of oxygen gas resulted in insignificant amounts of reaction products.