碳化硼是一种具有金属光泽的黑(hei)色晶体(ti),又名黑(hei)钻石,属于无(wu)机(ji)非(fei)金属材(cai)料。目(mu)前大家对(dui)碳化(hua)硼(peng)这种材(cai)料的(de)(de)熟知可(ke)能(neng)(neng)是因为(wei)防(fang)弹(dan)装甲的(de)(de)应(ying)用,因为(wei)它在陶瓷材(cai)料中(zhong)密度最低,具有弹(dan)性(xing)模量较高(gao)、硬度高(gao)等(deng)优势,可(ke)以(yi)达到很好(hao)的(de)(de)利用微(wei)破碎来吸(xi)收射(she)弹(dan)能(neng)(neng)量的(de)(de)效(xiao)果,同时尽量减轻(qing)负重。但其实,碳化(hua)硼(peng)还有许(xu)多其他的(de)(de)独(du)特(te)性(xing)质,可(ke)以(yi)使其在磨料、耐火材(cai)料、核工(gong)业、航(hang)空航(hang)天等(deng)领域发挥重要(yao)作用。
碳化硼
碳化(hua)硼的性质
在物理(li)性(xing)质(zhi)方面,碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)的(de)硬度(du)仅在金刚石与(yu)立方氮化(hua)硼(peng)(peng)之后,高(gao)(gao)温(wen)下仍能(neng)保持(chi)很(hen)高(gao)(gao)强度(du),可作(zuo)为(wei)理(li)想的(de)高(gao)(gao)温(wen)耐磨材料;碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)密度(du)非常小(xiao)(理(li)论密度(du)仅为(wei)2.52 g/cm3),轻于一般的(de)陶瓷(ci)材料,可应(ying)用于航(hang)天(tian)航(hang)空(kong)领(ling)(ling)域;碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)的(de)中子吸收能(neng)力(li)很(hen)强,热(re)稳定性(xing)能(neng)较(jiao)好(hao),熔点(dian)为(wei)2450 ℃,因此(ci)它在核工(gong)业领(ling)(ling)域也(ye)有(you)(you)广泛应(ying)用,同时它的(de)中子吸收能(neng)力(li)通过(guo)添加B元(yuan)素还(hai)可进一步改善;特定形貌和(he)结(jie)构的(de)碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)材料还(hai)具有(you)(you)特殊的(de)光电(dian)等(deng)(deng)性(xing)能(neng);此(ci)外,碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)还(hai)有(you)(you)高(gao)(gao)熔点(dian)、高(gao)(gao)弹(dan)(dan)性(xing)模量(liang)、低膨胀系数和(he)良好(hao)的(de)氧吸收能(neng)力(li)等(deng)(deng)优点(dian),这些都(dou)使它成为(wei)冶(ye)金、化(hua)工(gong)、机械、航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)军工(gong)等(deng)(deng)繁(fan)多领(ling)(ling)域的(de)一种(zhong)潜在的(de)应(ying)用材料。例(li)如,耐蚀耐磨零件(jian)、制(zhi)作(zuo)防弹(dan)(dan)装甲、反(fan)应(ying)堆控制(zhi)棒和(he)热(re)电(dian)元(yuan)件(jian)等(deng)(deng)。
在(zai)化(hua)(hua)(hua)(hua)学(xue)性(xing)(xing)(xing)质方(fang)面(mian),碳化(hua)(hua)(hua)(hua)硼在(zai)常(chang)温下不会和酸、碱(jian)以(yi)及大多数无机(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)发生反应(ying)(ying),常(chang)温下几乎不与氧气、卤(lu)族气体反应(ying)(ying),化(hua)(hua)(hua)(hua)学(xue)性(xing)(xing)(xing)质稳定(ding)。此外,碳化(hua)(hua)(hua)(hua)硼粉(fen)末作(zuo)为钢(gang)硼化(hua)(hua)(hua)(hua)剂受卤(lu)素活化(hua)(hua)(hua)(hua),在(zai)钢(gang)的表面(mian)渗入硼以(yi)生成硼化(hua)(hua)(hua)(hua)铁薄膜从(cong)而增强了材(cai)料的强度和耐磨性(xing)(xing)(xing),其化(hua)(hua)(hua)(hua)学(xue)性(xing)(xing)(xing)能优良。
我们(men)都知道材料的性质(zhi)决(jue)定(ding)用(yong)途(tu),那么碳化(hua)硼粉体在哪些应用(yong)中有着突(tu)出表(biao)现(xian)呢?
碳(tan)化硼的应用(yong)
1.碳化(hua)硼被用作抛光磨料
碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)作为磨料的应用(yong)主要是用(yong)于(yu)蓝宝(bao)石(shi)的研(yan)磨抛光,在(zai)超硬材料中,碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)的硬度优于(yu)氧化(hua)铝和碳(tan)化(hua)硅(gui),仅(jin)次(ci)于(yu)金(jin)刚石(shi)和立方氮(dan)化(hua)硼(peng)(peng)。蓝宝石是(shi)实(shi)际应用的半导体GaN/Al 2O3发光二极管(LED)、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最理想的衬底材料,其表面的光滑程度(du)要求很高,必须达到超光滑无损伤的程度(du)。由于蓝(lan)宝石晶体的(de)强度(du)高(gao)、硬(ying)(ying)度(du)大(莫氏硬(ying)(ying)度(du)9)给加工企业带来了很大的困难。
从材料和研磨学界的角度来(lai)看,加工和研磨蓝(lan)宝石(shi)晶体(ti)最好的材料是人(ren)造金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)、碳化硼、碳化硅、二氧(yang)化硅。人(ren)造金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)硬度过(guo)大(莫氏硬度10)在研磨蓝宝石晶片时会对表面产生划伤,影响晶片的透光度,并且价格昂贵;碳(tan)化硅(gui)切割完(wan)通(tong)常粗糙度RA较高,平整度较差;而二氧化硅硬度不够(莫氏硬度7)、磨削力差在研磨工程中费时、费工。因此,碳化硼磨料(liao)(莫氏硬(ying)度9.3)成为加工和研磨蓝宝石晶体最理想的材料,在蓝宝(bao)石(shi)晶(jing)片的双面研磨和蓝宝(bao)石(shi)基LED外延片背减薄抛光方面有着卓越的表现。
值得一提的(de)是(shi),由于碳(tan)化硼在(zai)600℃以上时,外表会氧化成B2O3薄膜,使其发生一定的(de)软化,因此在磨料应用(yong)(yong)中并不适(shi)用(yong)(yong)于温度过高(gao)的(de)干磨,只适(shi)用(yong)(yong)于抛光液研磨。但这种(zhong)性质可(ke)阻止了B4C的进一步(bu)被氧化(hua),使(shi)它在耐火材料应用中(zhong)有独(du)特(te)的优势。
2.在耐火材料方面的应用(yong)
碳化硼具有抗氧化、耐(nai)高(gao)温的特性,一(yi)般被用(yong)作(zuo)高(gao)级的定形(xing)和不定形(xing)耐(nai)火材料广泛(fan)用(yong)在冶金各个领域,如(ru)钢铁炉具、窑具等(deng)。
随着钢铁工业(ye)节能降耗和(he)冶炼(lian)低碳(tan)钢、超低碳(tan)钢的(de)(de)需要,研究开发性(xing)(xing)能优良的(de)(de)低碳(tan)镁(mei)碳(tan)砖(碳(tan)含量一(yi)般﹤8%)日益受到国(guo)内(nei)外业(ye)界的(de)(de)关注。目前,一(yi)般通过改善结合(he)碳(tan)结构(gou)、优化(hua)(hua)(hua)镁(mei)碳(tan)砖基质结构(gou),增(zeng)加高效抗(kang)氧化(hua)(hua)(hua)剂(ji)等措施来提高低碳(tan)镁(mei)碳(tan)砖的(de)(de)使用性(xing)(xing)能,其中采用工业(ye)级碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硼及部分石(shi)墨化(hua)(hua)(hua)炭黑构(gou)成的(de)(de)石(shi)墨化(hua)(hua)(hua)炭黑复合(he)粉(fen)体(ti),将其作为碳(tan)源和(he)抗(kang)氧化(hua)(hua)(hua)剂(ji)用于低碳(tan)镁(mei)碳(tan)砖,取得了很好(hao)的(de)(de)效果。
由于(yu)碳化(hua)硼(peng)在(zai)高温时会发生一定的(de)软化(hua),因此可以附着(zhe)在(zai)其(qi)他材料颗(ke)粒的(de)表面,既(ji)使产品致密化(hua),其(qi)表面的(de)B2O3氧化(hua)薄膜可形成一定的保(bao)护,发挥抗氧化(hua)作用。同时因(yin)为(wei)反(fan)应生成柱状(zhuang)晶体分(fen)布(bu)在耐(nai)火材料的基(ji)质和间隙里,从而降低气孔率,提高(gao)中温强度,且生成晶体体积膨胀,可愈(yu)合体积收缩,减少裂纹。
3.用于增强国防力量的防弹材料
碳化(hua)(hua)硼(peng)(peng)由于硬(ying)度大(da)、强度高(gao)、比重小、其抗(kang)弹性能(neng)等(deng)级高(gao),特别符合抗(kang)弹材(cai)质轻质化(hua)(hua)的趋势要求,是飞机、车辆(liang)、装甲、人体等(deng)防护的最佳抗(kang)弹材(cai)料;目前,国家总装备(bei)部已提出低(di)价位碳化(hua)(hua)硼(peng)(peng)抗(kang)弹装甲研究,旨在推广碳化(hua)(hua)硼(peng)(peng)抗(kang)弹装甲在我国国防工业的大(da)面积使用。
扩展阅(yue)读:
防弹陶瓷
4.在核工(gong)业上的应用
碳化硼的中子(zi)吸收截(jie)面(mian)高(gao),吸收中子(zi)的能(neng)谱宽,被国际(ji)公认为是核工业的最(zui)佳中子(zi)吸收剂。其中硼-10同位素的热截面高达347×10-24 cm2,仅(jin)次于钆、钐(shan)、镉(ge)等少数元素,是高(gao)效的热中子(zi)吸收剂(ji)。此(ci)外,碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)资源丰(feng)富,耐(nai)腐(fu)蚀,热稳(wen)定性(xing)好,不产生放射性(xing)同位素,二次射线能量低等,因此(ci)碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)被(bei)广(guang)泛地(di)用作核(he)反应(ying)堆中的控制(zhi)材(cai)料和屏蔽材(cai)料。
例如(ru)在核工业中,高温(wen)气冷(leng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)采用硼(peng)吸(xi)收球(qiu)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)系统作为(wei)第(di)(di)二(er)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)系统,在事故情况(kuang)下,当第(di)(di)一停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)系统出现故障时(shi),第(di)(di)二(er)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)系统采用大量碳化硼(peng)小球(qiu)自由(you)落体进入堆(dui)(dui)(dui)(dui)芯反(fan)射层孔道(dao)等方(fang)法,使(shi)反(fan)应(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)停(ting)闭,并实现冷(leng)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui),其(qi)中吸(xi)收球(qiu)即为(wei)含有碳化硼(peng)的石墨球(qiu)。碳化硼(peng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)芯在高温(wen)气冷(leng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)中的主要(yao)作用是(shi)控制反(fan)应(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)功率及安全,碳砖(zhuan)中渗有碳化硼(peng)中子吸(xi)收材料,可以(yi)降低反(fan)应(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)压力壳的中子照射。
目前核(he)反应堆(dui)用硼化(hua)(hua)(hua)物(wu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)主(zhu)要包括如下(xia)几种材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao):碳化(hua)(hua)(hua)硼(控制棒(bang)(bang)、屏蔽棒(bang)(bang)),硼酸(suan)(慢化(hua)(hua)(hua)剂、冷却剂),硼钢(控制棒(bang)(bang)和核(he)燃料(liao)(liao)(liao)(liao)及核(he)废(fei)料(liao)(liao)(liao)(liao)的储(chu)存材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)),硼化(hua)(hua)(hua)铕(you)(堆(dui)芯(xin)可燃毒物(wu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao))等。
扩展阅读(du):
碳化硼粉体的制备(bei)
根据不同的反应原理、不同的原料和设备,碳化硼的制备方法及其优缺点、应用前景如下所示:
下面主要对工(gong)业生产的(de)四种方(fang)法(fa)进行简单介绍。
1. 碳热(re)还(hai)原法(fa)
碳热(re)还原法(fa)(fa)是(shi)目前碳化硼生产的一个重要(yao)方法(fa)(fa),同时(shi)也是(shi)工业上最普遍的方法(fa)(fa)。该(gai)方法(fa)(fa)主(zhu)要(yao)
是(shi)利(li)用高温下碳(tan)的还原(yuan)性,将硼(peng)(peng)源中(zhong)的硼(peng)(peng)还原(yuan)出来,同(tong)时与其结(jie)合生成碳(tan)化(hua)硼(peng)(peng)。反应(ying)中(zhong),碳(tan)既作(zuo)(zuo)为还原(yuan)剂,也作(zuo)(zuo)为原(yuan)料。工艺(yi)流程是(shi):
碳热还(hai)原法生产碳化(hua)硼粉体工艺(yi)流程图(tu)
该方法具有设备结构简(jian)单、占地面积小(xiao)、建成速度快、工艺操(cao)作成熟等优点。但同时(shi),由于生(sheng)产(chan)过程中电弧炉不同区域(yu)温度场不均匀(yun)(yun),会(hui)产(chan)生(sheng)碳化硼颗粒(li)大小(xiao)不均匀(yun)(yun),反应不彻(che)底等现象。产(chan)物(wu)粒(li)度一(yi)般较(jiao)大,需进行破碎处理(li)。
2.自蔓延高温合成法(fa)
自蔓(man)延高温合(he)成(cheng)法(fa),又常(chang)被称为SHS技术。这一方(fang)法(fa)是(shi)前苏联物(wu)理化(hua)(hua)学研究所(suo)的(de)Merzhahov等(deng)发(fa)明的(de)。它是(shi)利用(yong)反(fan)(fan)应(ying)(ying)物(wu)之间高的(de)化(hua)(hua)学反(fan)(fan)应(ying)(ying)热的(de)自加热和自传导作(zuo)用(yong)来合(he)成(cheng)材(cai)料(liao)的(de)一种(zhong)技术。当反(fan)(fan)应(ying)(ying)物(wu)被引燃,它会向(xiang)尚未(wei)反(fan)(fan)应(ying)(ying)的(de)区域自动延伸反(fan)(fan)应(ying)(ying),直到反(fan)(fan)应(ying)(ying)完全,是(shi)一种(zhong)新的(de)制备无机(ji)化(hua)(hua)合(he)物(wu)高温材(cai)料(liao)方(fang)法(fa)。由于它在难(nan)熔材(cai)料(liao)合(he)成(cheng)方(fang)面具有合(he)成(cheng)时(shi)间短、能(neng)耗低等(deng)许(xu)多传统(tong)方(fang)法(fa)难(nan)以比(bi)拟的(de)优点,正日益(yi)引起材(cai)料(liao)界的(de)重视。如果固相(xiang)化(hua)(hua)学反(fan)(fan)应(ying)(ying)是(shi)强烈的(de)放(fang)热反(fan)(fan)应(ying)(ying),即可采用(yong)该(gai)种(zhong)方(fang)法(fa)制取化(hua)(hua)合(he)物(wu)粉末(mo)。
SHS过(guo)程示意图
该方法具有(you)反(fan)应温(wen)度较低(di)(1000℃~1200℃)、节约能源(利用外部能源点火后,仅靠反应放出的热量即可使燃烧波进行下去)、反应迅速等优点,所以合成出的碳化硼粉纯度较高且原始粉末粒度较细(0.1~4μm),一般不需要再破碎处理。另外,SHS过程中升温和冷却速度极快,易于形成高浓度缺陷和非平衡结构,粉末的晶形呈不规则,可以使产物具有高的活性,从而提高其烧结性能。但(dan)是极难彻底洗去产物中的硼(peng)镁杂质(zhi),会增加工(gong)艺(yi)流(liu)程及成(cheng)本,这是工(gong)艺(yi)中应该(gai)进(jin)一(yi)步研究的问题。
3. 聚合物前(qian)驱体裂(lie)解(jie)法
低温前驱体(ti)(ti)裂(lie)解法是一种当无机(ji)物或(huo)金属醇(chun)盐(yan)经过(guo)溶(rong)(rong)液、溶(rong)(rong)胶、凝胶、固化四个过(guo)程后,再经过(guo)热处理(li)操(cao)作成为(wei)固体(ti)(ti)化合物的方法。该方法能在分子水平上设计(ji)和控制(zhi)碳(tan)化硼(peng)粉体(ti)(ti)的均匀性及粒度,从而得到(dao)超细、高(gao)纯并且均匀的纳米材料。碳(tan)源(yuan)一般为(wei)甘油、柠檬酸(suan)、聚乙(yi)烯醇(chun)、葡萄糖、甘露醇(chun)、淀粉、蔗糖和纤维素等,硼(peng)源(yuan)为(wei)硼(peng)酸(suan)或(huo)硼(peng)酐。
4. 溶胶凝胶法(fa)
该法的(de)基本原理(li)是易(yi)于水(shui)解的(de)金属(shu)化合(he)物(无机盐或(huo)金属(shu)醇(chun)盐)在(zai)某(mou)溶剂中与(yu)水(shui)发(fa)生反(fan)(fan)(fan)应,经(jing)过水(shui)解与(yu)缩聚过程逐(zhu)渐凝胶化,再经(jing)过干燥(zao)烧结等处理(li)得(de)到所需材料(liao)。基本反(fan)(fan)(fan)应有水(shui)解反(fan)(fan)(fan)应和聚合(he)反(fan)(fan)(fan)应,可在(zai)低(di)温(wen)下制备高(gao)纯、粒径(jing)分布均匀、化学(xue)活性高(gao)的(de)单多组分混(hun)合(he)物。
选择合适的硼(peng)源(yuan)、碳源(yuan)而形成凝胶,本方法具(ju)有原(yuan)料的分子级(ji)混合更加均匀、反应温度低、产(chan)物(wu)膨(peng)松等优点。
总的来说,碳化硼(peng)因具有(you)很多优(you)良的性能(neng)而被广(guang)泛(fan)应用。目前有(you)关碳化硼(peng)粉(fen)末的制备,碳化硼(peng)陶(tao)瓷材(cai)料烧结的很多难(nan)题都(dou)已解决。在未来的材(cai)料领域,碳化硼(peng)一定能(neng)以其优(you)异的性能(neng)而占(zhan)据(ju)重要的位置。
参(can)考资(zi)料:
1. 石浩,豆志河,张廷安。碳化(hua)硼(peng)粉(fen)体制备(bei)及应用综述(东(dong)北(bei)大(da)学(xue)冶金学(xue)院)
2. 刘珅楠,孙(sun)帆,谭章(zhang)娜(na)等。碳化硼的研(yan)究进展(zhan)(温州大学(xue)化学(xue)与(yu)材料(liao)工(gong)程学(xue)院)。
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