江苏大学/空军工程大学Adv. Powder Technol. ：高温冲击策略一步高效合成亚微米B₄C粉体

图1：碳化硼粉体合成工艺流程示意图。
该图展示了从原料混合、压制成型，到采用HTS、IH、MWH三种不同加热方式合成，最终获得B₄C粉体的完整实验流程。该流程为后续对比不同加热方法对产物结构和性能的影响提供了实验基础。

图2：不同碳源（蔗糖与活性炭）合成产物的XRD图谱对比。
XRD分析显示，以活性炭为碳源的样品（A3）主相为B₄C，仅存在微弱非晶碳峰；而以蔗糖为碳源的样品（S1）除B₄C和碳峰外，还检测到H₃BO₃相。这表明蔗糖的剧烈分解易导致B₂O₃挥发损失，反应不完全，而活性炭的多孔结构有利于其与熔融B₂O₃充分接触，促进反应进行。

图3：不同碳源合成产物的SEM形貌对比：（a）活性炭，（b）蔗糖。
SEM图像证实了碳源对产物分散性的关键影响。活性炭样品（a）呈现不规则颗粒形态，颗粒间孔隙明显，表明其具有优异的分散性；而蔗糖样品（b）尽管粒径相似，但颗粒间严重粘连团聚。这归因于活性炭的多孔结构在反应过程中逐渐分解，对新生B₄C晶粒起到物理隔离作用，有效抑制了团聚。

图4：不同还原温度（1600-1750°C）下HTS合成产物的XRD图谱。
图谱表明，在所有温度下B₄C均为主要物相。自由碳的衍射峰强度随温度升高呈现先增后减的非单调变化。1600°C时碳峰较弱；1650°C时碳峰增强，归因于B₂O₃挥发加剧导致碳剩余；当温度升至1700°C和1750°C时，碳峰减弱，表明更高的温度促进了碳的消耗和反应的彻底进行。

图5：不同温度下HTS合成产物的SEM形貌及粒径分布：（a）1600°C，（b）1650°C，（c）1700°C，（d）1750°C，（e）粒径分布直方图。
SEM图像结合粒径统计揭示了温度对产物形貌与尺寸的调控作用。1700°C（c）条件下，颗粒呈现出规则的“糖块状”形貌，中位粒径（D50）最小，仅为0.15 μm，且分散性最佳。而温度升高至1750°C（d）时，颗粒发生明显粗化（D50增至0.23 μm）。这表明1700°C是实现晶粒细化与抑制生长的最优温度窗口。

图6：实验A3样品（1700°C HTS合成）的微观结构表征：（a）TEM明场像，（b）HRTEM高分辨图像，（c）傅里叶反变换图，（d1-d3）元素面分布图，（e）晶面间距测量。
HRTEM图像（b）清晰地显示了晶格条纹，测得晶面间距为0.378 nm，与B₄C的（012）晶面完美匹配（理论值0.379 nm），确定了产物的物相为菱方结构B₄C。元素面分布图（d1-d3）显示B和C元素高度重叠且分布均匀，证实了产物的高纯度与均质性。

图7：不同加热方式（MWH、IH、HTS）合成产物的XRD图谱对比。
图谱显示，微波加热（MWH）和感应加热（IH）产物的B₄C衍射峰更尖锐，表明其结晶度更高；而HTS产物峰形宽化，这是其晶粒尺寸更细小的特征。此外，IH产物中检测到尖锐的石墨碳峰，而HTS产物中仅为非晶碳弥散峰，这反映了不同加热速率下反应动力学和碳残留形态的显著差异。

图8：不同加热方式合成产物的SEM形貌及粒径分布：（a）MWH，（b）IH，（c）HTS，（d）粒径分布直方图。
SEM图像直观地展现了加热方式对产物微观结构的决定性影响。MWH产物（a）为粗大且粘连的六方片状颗粒（D50=13.72 μm）；IH产物（b）为不规则块体，粒径减小但仍存在明显团聚（D50=2.16 μm）；而HTS产物（c）则为粒径均匀、分散性极佳的超细颗粒（D50=0.15 μm）。这充分证明了HTS技术在制备超细、高分散B₄C粉体方面的独特优势。

图9：HTS法合成碳化硼的反应机制示意图。
该图将HTS合成过程分为三个阶段：阶段I，超高加热速率使B₂O₃迅速熔融并借助毛细作用渗入活性炭的多孔骨架；阶段II，在保温阶段，B₄C在液相中大量异质形核，并伴随着碳骨架的逐渐分解，新生成的B₄C晶粒被相互隔离；阶段III，极快的冷却速率“冻结”了当前状态，有效抑制了晶粒的进一步长大和团聚，从而获得超细、高分散的粉体。