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碳化硼是非氧化物(wu)陶瓷中的(de)非常重要的(de)一(yi)个品(pin)种。它在1858年科学家研究金属硼(peng)化的(de)合(he)成(cheng)时被首(shou)次发(fa)现，在1883年时首(shou)次被人工合(he)成(cheng)，并(bing)将其(qi)写作B₃C，之(zhi)后在(zai)1934年时化学(xue)计量式(shi)被正式(shi)修定(ding)为B₄C。

显微镜下(xia)的碳化硼(peng)颗粒(li)

碳(tan)化硼最(zui)大的特色就是硬度极高，位于最(zui)硬(ying)材料的行列内，仅次(ci)于金刚石和立方(fang)氮化硼(peng)。除此之外，还(hai)具有熔(rong)点高(2450℃)、弹(dan)性(xing)模量高、密(mi)度小(2.52 g/cm³)、热稳定性好、热中子(zi)吸收横截面(6×10^-22·cm^-2)高等优点(dian)。这些(xie)独特的(de)性质，使得碳化硼成为很多(duo)工(gong)程应用(yong)领域(yu)中的(de)重(zhong)要(yao)候选(xuan)材料，在(zai)耐火材料、研磨介质、耐磨涂层、反应堆控(kong)制棒和屏蔽棒、轻(qing)质盔甲(jia)等诸(zhu)多(duo)领域(yu)都有着(zhe)不错(cuo)的(de)表现。

一、碳化硼的性能与应用

一种材料到(dao)底要怎么(me)用，往往和它(ta)的性能息息相关，碳化硼也不例(li)外，具体(ti)如下：

1、高的硬度和耐磨性(xing)

碳化硼(peng)的(de)硬度(du)之高，使它拥有“黑钻石(shi)”之称(cheng)。在均相区(qu)内，随(sui)着碳的(de)质量(liang)分数增(zeng)加，碳化硼(peng)的(de)维氏硬度(du)也增(zeng)加。当w(C)从10.6%增(zeng)加到20%时，硬度(du)从29.1 GPa增(zeng)加到37.7 GPa。值得关注的(de)是(shi)，碳化硼(peng)在高温(wen)时仍(reng)然(ran)拥有很高的(de)硬度(du)(>30 GPa)，因此(ci)是(shi)非常理想的(de)高温(wen)耐(nai)磨材(cai)料。另(ling)外，碳化硼(peng)的(de)耐(nai)磨性能(neng)也仅次于金刚(gang)石(shi)。金刚(gang)石(shi)的(de)抗磨性能(neng)测量(liang)值为0.613，碳化硼(peng)的(de)抗磨性能(neng)测量(liang)值为0.400~0.422，而碳化硅的(de)抗磨性能(neng)测量(liang)值则是(shi)0.314。

代表应用①:研磨材料

凭(ping)借优秀的(de)(de)硬(ying)度和(he)(he)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)性，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)常被用作磨(mo)(mo)(mo)(mo)料、耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)耐腐蚀(shi)陶瓷(ci)器(qi)件(jian)和(he)(he)汽车零部件(jian)等(deng)。碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)可(ke)(ke)用作硬(ying)质合金(jin)、工程陶瓷(ci)及蓝宝石等(deng)硬(ying)质材(cai)料的(de)(de)抛(pao)光、精(jing)研或粉(fen)碎过程的(de)(de)研磨(mo)(mo)(mo)(mo)材(cai)料。近(jin)(jin)(jin)年来(lai)(lai)，逐渐用碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)逐渐代替之(zhi)前的(de)(de)金(jin)刚石来(lai)(lai)研磨(mo)(mo)(mo)(mo)蓝宝石晶片，可(ke)(ke)大幅度降低研磨(mo)(mo)(mo)(mo)成本。据报道，近(jin)(jin)(jin)年来(lai)(lai)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)料的(de)(de)需(xu)求量随(sui)着LED等(deng)光电产(chan)业的(de)(de)发展而激增，仅是(shi)2017年碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)料市场规模就(jiu)已接近(jin)(jin)(jin)8430吨。

蓝(lan)宝石材料衬底的生(sheng)产过程(cheng)需要(yao)大量的碳化硼磨(mo)料

代表应用②:结构材料(liao)

利用(yong)(yong)粉末冶金技术(shu)制(zhi)作(zuo)耐磨(mo)和(he)(he)耐腐(fu)(fu)蚀(shi)性(xing)的(de)(de)碳化硼器件等，在众(zhong)多工业(ye)领取获得了较好应(ying)用(yong)(yong)效果。比如将碳化硼器件用(yong)(yong)于(yu)(yu)启动滑阀、核电站(zhan)冷却系统(tong)中的(de)(de)轴(zhou)颈(jing)轴(zhou)承、热挤压模等；还可作(zuo)于(yu)(yu)陶(tao)瓷(ci)气体涡轮机当中的(de)(de)耐腐(fu)(fu)蚀(shi)和(he)(he)耐摩器件；还可用(yong)(yong)于(yu)(yu)喷(pen)砂(sha)嘴、高压喷(pen)水切(qie)割中使用(yong)(yong)的(de)(de)喷(pen)嘴。碳化硼材(cai)料还属于(yu)(yu)气浮轴(zhou)承材(cai)料，具有寿命长(zhang)、自润(run)滑性(xing)好、材(cai)质优良等特点。

碳化(hua)硼喷嘴具有寿命长(zhang)、相对低成本、省时、高效等优点

2、低密(mi)度(du)

碳化硼的密度(du)很小(xiao)，比铝还小(xiao)。在(zai)均(jun)相区(8.8%≤w(C)≤20.0%)内，碳化硼的密度(du)与碳质(zhi)量分数(shu)(w(C))的关系(xi)可由经验公式表示为(wei)：

其(qi)中，B₄C的密(mi)度为2.52 g/cm³，B₁₃C₂的密(mi)度(du)为2.488g/cm³，B_10.4C的密度为2.465 g/cm³。

代表应用:军工防(fang)弹装甲材(cai)料

碳化(hua)硼的(de)高(gao)硬(ying)度(du)(du)，低密度(du)(du)使其成为(wei)防(fang)护(hu)材(cai)料(liao)的(de)理想(xiang)选(xuan)择，特(te)别是适合在轻质防(fang)护(hu)装(zhuang)甲中(zhong)使用(yong)，可有(you)效(xiao)提高(gao)飞机、军用(yong)车辆、舰船以及人体(ti)的(de)防(fang)护(hu)能力。然而(er)，碳化(hua)硼较低的(de)韧性(xing)严重地影(ying)响(xiang)了它(ta)的(de)防(fang)弹性(xing)能，目前材(cai)料(liao)工作者(zhe)试图通过添加第(di)二(er)相，如TiB₂、SiC、TiC、WC、Si₃N₄和碳(tan)纤维来进(jin)行增强，并取(qu)得了一定的效(xiao)果。

SA3B™ LEVEL III+型碳化硼小型武器防护插件，是世界上最轻且最昂贵的III+级板之一

3、中子吸收能力

¹⁰B在天然硼(peng)中占(zhan)19.8%，富集(ji)的(de)硼(peng)甚至可达(da)90%，¹⁰B热中(zhong)子截面高达3.47/10^-24 cm²。仅次于Gd、Sm、Cd等少数几种元(yuan)素，吸(xi)收能谱宽，在(zai)吸(xi)收中子(zi)后不产(chan)生强的γ射(she)线二(er)次辐(fu)射(she)，且耐腐蚀、高温(wen)稳(wen)定性好、价格低、来源丰富。因此(ci)，在(zai)核反应堆(dui)控制方(fang)面可作(zuo)为中子(zi)吸(xi)收剂而(er)得到广(guang)泛应用。另外(wai)，B₄C也展现出了良(liang)好的(de)“辐(fu)照自修复”性能，这(zhei)可能与B₄C复杂的晶(jing)体(ti)结构有关。

代表应用:核屏(ping)蔽和控制材料

近年来，B₄C在核(he)工业中越来(lai)越受到青睐(lai)。其主要应用包括(kuo)：（1）将B₄C粉与石墨粉混合制成(cheng)硼碳砖，用于反应堆外(wai)部，防止放射性物质外(wai)泄(xie)；（2）将B₄C粉高温压制成制品(pin)，做反(fan)应(ying)堆(dui)控(kong)制棒，控(kong)制反(fan)应(ying)堆(dui)反(fan)应(ying)速(su)度；（3）将(jiang)B₄C粉高(gao)温(wen)压(ya)制成制品，做反(fan)应堆的屏蔽材料，吸收放射性物质；（4）采用常(chang)压(ya)烧结工(gong)艺，将B₄C粉末(mo)烧结(jie)成块(kuai)状，用于反(fan)应堆的屏蔽材(cai)料。

碳化硼核反应堆控制棒

4、热电性能

碳化硼熔点高达2450℃，沸点为3500℃，热膨胀系数为5.7×10^-6(28～1770℃)。其Seebeek系数较(jiao)(jiao)大，热(re)(re)导(dao)率较(jiao)(jiao)低，高(gao)(gao)温电导(dao)率较(jiao)(jiao)高(gao)(gao)和(he)热(re)(re)稳定性(xing)较(jiao)(jiao)好，尤其热(re)(re)电性(xing)能随温度升高(gao)(gao)而提高(gao)(gao)。近年来人们研(yan)究(jiu)了碳(tan)含量对碳(tan)化(hua)(hua)硼结构(gou)和(he)热(re)(re)电性(xing)能的(de)影响(xiang)，发(fa)现通过调整碳(tan)化(hua)(hua)硼中碳(tan)的(de)质量分数，可获得热(re)(re)电性(xing)超过P型半导(dao)体的(de)碳(tan)化(hua)(hua)硼。Wood认为具有(you)最(zui)好热(re)(re)电性(xing)能的(de)是(shi)B₉C。

代(dai)表应用(yong):温(wen)差电偶

B₄C不(bu)仅有(you)潜力(li)作为P型高温半(ban)导体材料在新型电(dian)子领(ling)域得到(dao)应(ying)用，还有(you)望应(ying)用在高温热电(dian)偶和(he)热电(dian)能(neng)量转换设备领(ling)域。目(mu)前利用B₄C的热电(dian)(dian)性，日本(ben)和(he)德国(guo)烧(shao)结(jie)已制(zhi)备出可(ke)测2200℃的温(wen)差电(dian)(dian)偶（碳(tan)化(hua)硼/石墨热电(dian)(dian)偶由石墨管、碳(tan)化(hua)硼棒以及二者之间的氮化(hua)硼衬(chen)套组成），用(yong)于高(gao)(gao)温(wen)的测量与(yu)(yu)控制(zhi)，其高(gao)(gao)热电(dian)(dian)性和(he)稳(wen)定性使(shi)它(ta)可(ke)以长期可(ke)靠(kao)地使(shi)用(yong)。在惰性气体(ti)和(he)真空中(zhong)，使(shi)用(yong)温(wen)度高(gao)(gao)达2200℃。在600~2200℃之间，电(dian)(dian)势(shi)差与(yu)(yu)温(wen)度线性关系良好。

5、化学稳定性

碳(tan)化硼(peng)拥有优(you)异的耐腐蚀性能和抗高温(wen)氧(yang)化性能。在常温(wen)下不与酸、碱和大多(duo)数无机化合物(wu)反应，仅在氢氟酸．硫酸、氢氟酸一硝酸混合物(wu)中有缓慢的腐蚀。在600℃以(yi)下基本不发生氧(yang)化反应，而温(wen)度在600℃以(yi)上时，由(you)于表面氧(yang)化形成B₂O₃薄膜，阻止进一步氧化。

代表应用:温差电偶

碳(tan)(tan)化(hua)硼(peng)可(ke)作为(wei)(wei)抗氧化(hua)剂添加于碳(tan)(tan)质的(de)耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)，不(bu)仅(jin)增(zeng)强了(le)耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)的(de)抗热冲击性，同时也使耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)免受金属和炉渣的(de)浸润，防止碳(tan)(tan)质耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)的(de)碳(tan)(tan)被氧化(hua)。之所以可(ke)以起到这(zhei)个作用(yong)(yong)，是因为(wei)(wei)碳(tan)(tan)化(hua)硼(peng)被氧化(hua)时会与(yu)基底材料(liao)(liao)(liao)发生相(xiang)互作用(yong)(yong)，形成(cheng)液体或(huo)气(qi)体相(xiang)，从而防止碳(tan)(tan)质耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)的(de)碳(tan)(tan)不(bu)被氧化(hua)，也就延长了(le)含碳(tan)(tan)耐火(huo)材料(liao)(liao)(liao)的(de)使用(yong)(yong)寿命。

二、碳化硼面(mian)临(lin)的挑(tiao)战

碳(tan)化(hua)硼百般好，却有两个(ge)主要缺点限(xian)制了其进一步(bu)的(de)应用：一方面，传统(tong)制备方法得(de)到(dao)的(de)B₄C粉体(ti)粒(li)度不均匀、杂质(zhi)含量高(gao)，尤(you)其是颗粒(li)粗大、形貌单一，使(shi)B₄C的优异性能难(nan)以充(chong)分发挥，严重限(xian)制了其应用；另一(yi)方面(mian)，B₄C断裂韧性较低，且(qie)B₄C原子间的化学键(jian)93.9%为共价键(jian)，具(ju)有较低的自扩散系数，晶(jing)界移(yi)动阻力较大，不(bu)仅粉体合成困(kun)难(nan)，而且还难(nan)以烧(shao)结致(zhi)密。

不过(guo)随(sui)着(zhe)材料理论的(de)日益充实(shi)和(he)(he)实(shi)验技术(shu)的(de)进步，碳化(hua)硼越来越受到学术(shu)界和(he)(he)工(gong)业(ye)界的(de)重视，为碳化(hua)硼的(de)广泛应(ying)用提供了(le)新的(de)契(qi)机。

比如说近年已(yi)有许多(duo)文献报(bao)道(dao)，通过(guo)多(duo)种方(fang)法都可以得(de)到高纯度(du)、低维(wei)度(du)、粒度(du)均匀的B₄C粉体，部(bu)分成(cheng)果如下：

ü 元素合成(cheng)法制备的B₄C粉体虽然产量较(jiao)小，但是一(yi)般(ban)纯度较(jiao)高(gao)；

ü 工(gong)业中最(zui)常用的(de)碳热还原法得(de)到的(de)B₄C的(de)最小粒(li)度为(wei)20~30nm；

ü 快速(su)节能的自(zi)蔓延高温合成法可以得到厚度为(wei)10~50nm的片状B₄C；

ü 棒状、纤(xian)维状等特殊(shu)形貌的B₄C主要通过化学气(qi)相(xiang)沉积法合(he)成；

ü 溶剂热(re)还原法(fa)(fa)、VLS生(sheng)长(zhang)法(fa)(fa)、粒子束(shu)合(he)成法(fa)(fa)等一些新的(de)合(he)成方法(fa)(fa)也都获(huo)得了纳(na)米尺寸(cun)的(de)B₄C粉(fen)体。

 

元素合成(cheng)法B₄C产物的(de)微观(guan)形貌(mao)：(a)纤维状纳米(mi)；(b)纳米(mi)颗粒(li)；(c)纳米(mi)线

至于难(nan)以(yi)烧(shao)结(jie)这个问题，目前业界主要利用添加(jia)烧结助(zhu)剂技术(shu)用来(lai)改善(shan)碳化硼(peng)自身的(de)烧(shao)结行为，使(shi)其(qi)成为更加(jia)廉价和实用性强的(de)碳化硼(peng)器具。另外还可向碳化硼(peng)中(zhong)添(tian)加(jia)丰(feng)富的(de)碳化硅，使(shi)其(qi)制作(zuo)成复合材料(liao)，来(lai)提升烧(shao)结提的(de)密度。

碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅具有良(liang)好(hao)的物理性能(neng)以(yi)及力学特点，包含较高的比模量(liang)、比强度(du)、抗腐蚀以(yi)及抗热冲击性能(neng)等、密度(du)低(di)、热膨胀系数低(di)等特点。经研究可发现，在(zai)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅材料中添加适量(liang)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硼就(jiu)会获取到密度(du)更为紧致的烧(shao)结(jie)体，由此可见(jian)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅和碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硼具有相(xiang)互促(cu)进和提升作用，是一对(dui)非常好(hao)的搭档。

 

资(zi)料(liao)来(lai)源(yuan)：

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