碳化硼介绍及应用

碳化硼历史：它在19世纪作为金属硼化物研究的副产品被发现，直到19世纪30年代才被科学地研究。是继氮化硼、金刚石、富勒烯化合物和钻石整体纤管后的第五种已知最硬的物质。

碳化硼

英文名字：Boron carbide

别名：B4-C，B4C，黑钻石，一碳化四硼                    

CAS号：12069-32-8

BINECS号：235-111-5                                 

RTECS号：ED7420000                                          

MSDS : External MSDS                                

化学式：B4C

相对分子质量：55.26                                      

外观：黑色粉末

密度：2.52g/cm3(固)                                   

熔点：2450℃

沸点：3500℃                                         

晶体结构：菱形六面体

莫氏硬度：9.36

显微硬度：4950kgf/mm2

水溶情况：不溶解

碳化硼物理特性及理化常数：

碳化硼系由硼酸和碳素材料在电炉中高温冶炼而生成的，理论密度为2.52g∕cm3,熔点为2450℃，显微硬度为4950kgf∕mm2，莫氏硬度为9.3，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，具有耐高温、耐酸碱腐蚀、强度大、化学稳定性好、比重轻等特点，在很多新材料领域里得到广泛应用。

碳化硼的主要应用领域及特性：

用于国防工业领域：

制作防弹材料，如防弹背心中的防弹板、军用飞机飞行员座舱的陶瓷防弹瓦和现代装甲运兵车及坦克的陶瓷防弹板等。在军火工业中可用作制造枪、炮的喷嘴。目前，Al2O3基抗弹陶瓷已用于“502工程”及“212工程”，但在战车车体侧面等部位采用Al2O3基陶瓷复合装甲时，其减重效果不明显，而采用等厚的高性能碳化硼陶瓷复合装甲比Al2O3基防弹陶瓷质量减轻15%~20%，同时防弹性能进一步提高。因此重点装备工程陶瓷复合装甲研制项目对高性能、低成本碳化硼防弹陶瓷提出了迫切需求。因而，开展高性能、低成本碳化硼防弹陶瓷材料的研制和应用，可大大提高相关武器装备的使用性能，具有显著的军事效益和经济效益。碳化硼防弹陶瓷材料应用方向为：重点装备工程、未来主战坦克、步兵战车﹑空投空降车等轻型装甲车辆以及武装直升机腹板、船艇上层建筑的装甲防护。

用于核工业领域：

碳化硼制作核反应堆的控制棒、调节棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒，制作用于防辐射保护的碳化硼瓦、板或中子吸收器（用高B10含量粉末制成），或同水泥混用制作核反应堆屏蔽层，是仅次于核燃料元件的重要功能元件。特性：碳化硼可以吸收大量的中子而不会形成任何放射性同位素，因此在核能发电场里它是很理想的中子吸收剂也是核反应堆堆芯组件。而中子吸收剂主要是控制核分裂的速率，但为要增加表面积而把它制成粉末状。碳化硼的中子吸收截面高，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，吸收中子后没有强的λ射线二次辐射，从而废料易于处理，因此碳化硼是一种重要的中子吸收材料。

用于耐火材料领域：

碳化硼做为抗氧化添加剂用于低碳镁碳砖、浇注料。在钢铁工业中用于耐高温、耐冲刷的关键部位。如钢包、出铁口（水口）、滑板、塞棒等。随着钢铁工业节能降耗和冶炼低碳钢、超低碳钢的需要，研究开发性能优良的低碳镁碳砖（碳含量一般﹤8﹪）日益受到国内外业界的关注。目前，一般通过改善结合碳结构、优化镁碳砖基质结构，增加高效抗氧化剂等措施来提高低碳镁碳砖的使用性能，其中采用工业级B4C及部分石墨化炭黑构成的石墨化炭黑复合粉体，将其作为碳源和抗氧化剂用于低碳镁碳砖，取得了很好的效果。在添加了B4C的低碳镁碳砖具有良好的常规物理性能、抗氧化性和热震稳定性。

特性：碳化硼在含碳耐火材料中起抗氧化作用可以使产品致密化阻止含碳耐火材料中碳的氧化同时在1000℃~1250℃发生反应，生成（9 Al2O3•2B2O3）柱状晶体分布在耐火材料的基质和间隙里，从而降低气孔率，提高中温强度，且生成晶体体积膨胀，可愈合体积收缩，减少裂纹。

用于其它工程陶瓷材料：

碳化硼制作喷砂机用喷嘴、高压水切割机喷嘴、密封环、陶瓷工模具等。特性：碳化硼喷嘴具有耐磨高硬度的特点将逐渐取代已知的硬质合金（钨钢）和碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等材质的喷砂嘴。另外，碳化硼在复合陶瓷领域的应用：碳化硼是共价键很强的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移动阻力很大，较难获得致密的烧结体，除一些特殊的场合，如微晶碳化硼气体动压轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的碳化硼块以外，通常用添加烧结助剂的方法该善碳化硼的烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制品。此外，向碳化硼中添加较大量的碳化硅制成复合材料是提高烧结密度的有效途径。碳化硅本身具有很好的力学和物理性能，包括高的比强度、比模量、好的抗腐蚀性和抗热冲击性、低的密度和热膨胀系数等，同时，在元素周期表中，Si的位置和B、C毗邻，因而性能上很相似。根据相似相容原理，SiC的存在会改善烧结扩散，促进碳化硼的烧结。科学家在研究碳化硅陶瓷的烧结中发现，向碳化硅中添加适量的碳化硼可获得更为致密的烧结体。可见，碳化硼、碳化硅在烧结过程中能相互促进致密化进程。更为值得注意的是，B4C—SiC复合陶瓷在降低碳化硼陶瓷烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异的物理机械性能。B4C—SiC陶瓷被认为是一种具有广泛应用前景的高温耐蚀、耐磨材料，已在工业喷嘴、泵的密封以及热挤压模等领域获得应用。

近几十年来，由于科学技术的迅猛发展，尤其是电子技术、空间技术、计算机技术的飞速发展，迫切需要有特殊性能的材料。储量丰富、价格便宜、制备容易及具有很多独特性能的特种陶瓷应运而生，戴上了“万能陶瓷”的桂冠，成为21世纪最有发展前景的重要材料之一。碳化硼因具有很多优良的性能而成为特种陶瓷家族中的重要一员。目前有关碳化硼粉末的制备，碳化硼陶瓷材料的烧结的很多难题都已经迎刃而解了。在未来的材料领域，碳化硼一定能以其优异的性能而占据重要的地位。

用于普通工业领域：

碳化硼制作高档耐磨焊条，以增强焊面的耐磨强度；用作研磨抛光材料、水切割用磨料和金刚石磨具修正材料；珠宝行业的高精度抛光与研磨。特性：碳化硼是一种比碳化硅或碳化钨还要硬的固体，在很久以前它作为一种粗砂研磨材料。由于它本身熔点高，不易铸成人工制品，但是通过高温熔炼粉末，它可以加工成简单的形状，用于硬质合金、宝石等的磨削、研磨、钻孔及抛光。

碳化硼的电性能应用：

碳化硼—石墨热电偶由石墨管、碳化硼棒以及两者之间的氮化硼衬套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达2200℃。在600~2200℃之间，电势差与温度线性关系良好。

碳化硼作为化学原料的应用：

碳化硼粉受卤素活化，可用作钢和其他合金的硼化剂在钢表面渗硼，以生成硼化铁薄层增强材料的强度和耐磨性。碳化硼还可用作一些金属基摩擦材料的非金属添加剂。在还原—化合法制取硼化物粉末时，碳化硼作为硼源，可制得TiB2、ZrB2、CrB2等粉末，称为制取粉末的“碳化硼法”。

碳化硼在蓝宝石晶片（LED）中的应用：

近年来国家对于LED产业的大力扶持和推动，使得LED产业发展形势趋好，因而给生产和加工蓝宝石晶体的企业带来了很大的商机。由于蓝宝石晶体的强度高、硬度大（莫氏硬度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看，加工和研磨蓝宝石晶体最好的材料是人造金刚石、碳化硼、二氧化硅。由于人造金刚石硬度过大（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。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（莫氏硬度9.3）成为加工和研磨蓝宝石晶体最理想的材料。碳化硼磨料在蓝宝石晶片的双面研磨和蓝宝石基LED外延片背减薄抛光方面有着卓越的表现。国家一些重点大学也针对碳化硼在研磨蓝宝石晶体方面有主要研究。总之，随着LED产业的快速发展，碳化硼也将会迅速崛起

总之，随着社会和科技的发展需要碳化硼的应用领域会不断被发现拓展，市场应用前景会更加广阔。