碳化硼的性能特点及其应用简析

  1. 晶体结构碳化硼具有典型的二十面体硼化物的复杂晶体结构。斜方六面体结构是碳化硼主要的晶体结构，六方菱形为主要的晶格。其内含二十面体的原子团簇，共价键键接这些原子团簇，且三原子链接于斜方六面体的对角线上。B4C结构中广为认同的是一个B11C二十面体和一条C-B-C的原子链组成的结构。B、C两原子在二十面体内及原子链上互相替代，故碳化硼在碳元素质量分数8%-20%之间存在许多稳定的同分异构体（如B13C 、B12C3、B4C 等）。 

  2. 性能

  （1）碳化硼最重要的性能在于其超常的硬度(莫氏硬度为9.3)，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，是最理想的高温耐磨材料；

  （2）碳化硼密度很小，是陶瓷材料中最轻的，可用于航天航空领域；

  （3）碳化硼的中子吸收能力很强，相对于纯元素B和Cd来说，造价低、耐腐蚀性好、热稳定性好，广泛用于核工业，碳化硼中子吸收能力还可以通过添加B元素而进一步改善；

  （4）碳化硼的化学性能优良，在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有缓慢的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一；

  （5）碳化硼还具有高熔点、高弹性模量、低膨胀系数和良好的氧气吸收能力等优点；

  （6）碳化硼还是p型半导体材料，即使在很高的温度下也可保持半导体特性。 

  3.应用

  （1）喷嘴材料：碳化硼的超高硬度和优异的耐磨性能，使它成为重要的喷嘴材料。碳化硼喷嘴具有寿命长、相对低成本、省时、高效等优点。

  （2）中子吸收和防辐射材料：B元素具有高达600barn的中子吸收截面，是核反应堆中减速元件―控制棒或核反应堆防辐射部件的主要选用材料；
  （3）复合装甲材料：利用其轻质、超硬和高模量等特性，用作轻型防弹衣和防弹装甲材料。采用碳化硼制作的防弹衣，比同型钢质防弹衣要轻50%以上。碳化硼同时还是陆上装甲车辆、武装直升机以及民航客机的重要防弹装甲材料。  
  （4）半导体工业元件和热电元件：碳化硼陶瓷具有半导体特性和较好的热导性能，可用作高温半导体元器件，也可以用作半导体工业中的气体分布盘、聚焦环、微波或红外窗口、DC插头等。B4C与C结合可用作高温热电偶元件，使用温度高达2300℃，同时也可用作抗辐射热电元件；  

  （5）磨料：B4C的高硬度，使其可作为一种很好的耐磨材料或减磨材料，用碳化硼取代金刚石磨料，用于硬质合金与工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料，能够显著降低研磨过程的成本。还可以将B4C涂层涂覆在基体上，形成一层保护膜，提高基体的抗磨损性能。如在变速箱的齿轮表面涂覆B4C涂层可有效地提高齿轮的抗磨损性能，提高齿轮寿命。  

  （6）其他应用：如在耐火材料领域，碳化硼是作为抗氧化剂，主要用在低碳镁碳砖和浇注料中。    
  4.结语碳化硼因其优异的性能，在航天航空、国防、核能和耐磨技术等领域扮演着重要的角色。其制备方法有碳热还原法，自蔓延热还原法，机械化学法，直接合成法，溶胶凝胶法等。目前阻碍碳化硼应用推广的主要问题在于碳化硼的制备成本较高，而碳化硼自身又存在过高的烧结温度、较差的抗氧化能力等问题。