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鄒小姐：13326633089 -
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碳化硼是一種具有金屬光澤的黑色晶體，又名黑鉆石，屬于無機非金屬材料。目前大家對碳化硼這種材料的熟知可能是因為防彈裝甲的應(yīng)用，因為它在陶瓷材料中密度最低，具有彈性模量較高、硬度高等優(yōu)勢，可以達到很好的利用微破碎來吸收射彈能量的效果，同時盡量減輕負重。但其實，碳化硼還有許多其他的獨特性質(zhì)，可以使其在磨料、耐火材料、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
碳化硼
碳化硼的性質(zhì)
在物理性質(zhì)方面，碳化硼的硬度僅在金剛石與立方氮化硼之后，高溫下仍能保持很高強度，可作為理想的高溫耐磨材料；碳化硼密度非常小（理論密度僅為2.52 g/cm3），輕于一般的陶瓷材料，可應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域；碳化硼的中子吸收能力很強，熱穩(wěn)定性能較好，熔點為2450 ℃，因此它在核工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，同時它的中子吸收能力通過添加B元素還可進一步改善；特定形貌和結(jié)構(gòu)的碳化硼材料還具有特殊的光電等性能；此外，碳化硼還有高熔點、高彈性模量、低膨脹系數(shù)和良好的氧吸收能力等優(yōu)點，這些都使它成為冶金、化工、機械、航空航天軍工等繁多領(lǐng)域的一種潛在的應(yīng)用材料。例如，耐蝕耐磨零件、制作防彈裝甲、反應(yīng)堆控制棒和熱電元件等。
在化學性質(zhì)方面，碳化硼在常溫下不會和酸、堿以及大多數(shù)無機化合物發(fā)生反應(yīng)，常溫下幾乎不與氧氣、鹵族氣體反應(yīng)，化學性質(zhì)穩(wěn)定。此外，碳化硼粉末作為鋼硼化劑受鹵素活化，在鋼的表面滲入硼以生成硼化鐵薄膜從而增強了材料的強度和耐磨性，其化學性能優(yōu)良。
我們都知道材料的性質(zhì)決定用途，那么碳化硼粉體在哪些應(yīng)用中有著突出表現(xiàn)呢？
碳化硼的應(yīng)用
1.碳化硼被用作拋光磨料
碳化硼作為磨料的應(yīng)用主要是用于藍寶石的研磨拋光，在超硬材料中，碳化硼的硬度優(yōu)于氧化鋁和碳化硅，僅次于金剛石和立方氮化硼。藍寶石是實際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al 2O3發(fā)光二極管（LED）、大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最理想的襯底材料，其表面的光滑程度要求很高，必須達到超光滑無損傷的程度。由于藍寶石晶體的強度高、硬度大（莫氏硬度9）給加工企業(yè)帶來了很大的困難。
從材料和研磨學界的角度來看，加工和研磨藍寶石晶體最好的材料是人造金剛石、碳化硼、碳化硅、二氧化硅。人造金剛石硬度過大（莫氏硬度10）在研磨藍寶石晶片時會對表面產(chǎn)生劃傷，影響晶片的透光度，并且價格昂貴；碳化硅切割完通常粗糙度RA較高，平整度較差；而二氧化硅硬度不夠（莫氏硬度7）、磨削力差在研磨工程中費時、費工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成為加工和研磨藍寶石晶體最理想的材料，在藍寶石晶片的雙面研磨和藍寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現(xiàn)。
值得一提的是，由于碳化硼在600℃以上時，外表會氧化成B2O3薄膜，使其發(fā)生一定的軟化，因此在磨料應(yīng)用中并不適用于溫度過高的干磨，只適用于拋光液研磨。但這種性質(zhì)可阻止了B4C的進一步被氧化，使它在耐火材料應(yīng)用中有獨特的優(yōu)勢。
2.在耐火材料方面的應(yīng)用
碳化硼具有抗氧化、耐高溫的特性，一般被用作高級的定形和不定形耐火材料廣泛用在冶金各個領(lǐng)域，如鋼鐵爐具、窯具等。
隨著鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗和冶煉低碳鋼、超低碳鋼的需要，研究開發(fā)性能優(yōu)良的低碳鎂碳磚（碳含量一般﹤8%）日益受到國內(nèi)外業(yè)界的關(guān)注。目前，一般通過改善結(jié)合碳結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鎂碳磚基質(zhì)結(jié)構(gòu)，增加高效抗氧化劑等措施來提高低碳鎂碳磚的使用性能，其中采用工業(yè)級碳化硼及部分石墨化炭黑構(gòu)成的石墨化炭黑復(fù)合粉體，將其作為碳源和抗氧化劑用于低碳鎂碳磚，取得了很好的效果。
由于碳化硼在高溫時會發(fā)生一定的軟化，因此可以附著在其他材料顆粒的表面，既使產(chǎn)品致密化，其表面的B2O3氧化薄膜可形成一定的保護，發(fā)揮抗氧化作用。同時因為反應(yīng)生成柱狀晶體分布在耐火材料的基質(zhì)和間隙里，從而降低氣孔率，提高中溫強度，且生成晶體體積膨脹，可愈合體積收縮，減少裂紋。
3.用于增強國防力量的防彈材料
碳化硼由于硬度大、強度高、比重小、其抗彈性能等級高，特別符合抗彈材質(zhì)輕質(zhì)化的趨勢要求，是飛機、車輛、裝甲、人體等防護的最佳抗彈材料；目前，國家總裝備部已提出低價位碳化硼抗彈裝甲研究，旨在推廣碳化硼抗彈裝甲在我國國防工業(yè)的大面積使用。
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防彈陶瓷
4.在核工業(yè)上的應(yīng)用
碳化硼的中子吸收截面高，吸收中子的能譜寬，被國際公認為是核工業(yè)的最佳中子吸收劑。其中硼-10同位素的熱截面高達347×10-24 cm2，僅次于釓、釤、鎘等少數(shù)元素，是高效的熱中子吸收劑。此外，碳化硼資源豐富，耐腐蝕，熱穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生放射性同位素，二次射線能量低等，因此碳化硼被廣泛地用作核反應(yīng)堆中的控制材料和屏蔽材料。
例如在核工業(yè)中，高溫氣冷堆采用硼吸收球停堆系統(tǒng)作為第二停堆系統(tǒng)，在事故情況下，當?shù)谝煌６严到y(tǒng)出現(xiàn)故障時，第二停堆系統(tǒng)采用大量碳化硼小球自由落體進入堆芯反射層孔道等方法，使反應(yīng)堆停閉，并實現(xiàn)冷停堆，其中吸收球即為含有碳化硼的石墨球。碳化硼堆芯在高溫氣冷堆中的主要作用是控制反應(yīng)堆功率及安全，碳磚中滲有碳化硼中子吸收材料，可以降低反應(yīng)堆壓力殼的中子照射。
目前核反應(yīng)堆用硼化物材料主要包括如下幾種材料：碳化硼（控制棒、屏蔽棒），硼酸（慢化劑、冷卻劑），硼鋼（控制棒和核燃料及核廢料的儲存材料），硼化銪（堆芯可燃毒物材料）等。
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碳化硼粉體的制備
根據(jù)不同的反應(yīng)原理、不同的原料和設(shè)備，碳化硼的制備方法及其優(yōu)缺點、應(yīng)用前景如下所示：
下面主要對工業(yè)生產(chǎn)的四種方法進行簡單介紹。
1. 碳熱還原法
碳熱還原法是目前碳化硼生產(chǎn)的一個重要方法，同時也是工業(yè)上最普遍的方法。該方法主要
是利用高溫下碳的還原性，將硼源中的硼還原出來，同時與其結(jié)合生成碳化硼。反應(yīng)中，碳既作為還原劑，也作為原料。工藝流程是：
碳熱還原法生產(chǎn)碳化硼粉體工藝流程圖
該方法具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、建成速度快、工藝操作成熟等優(yōu)點。但同時，由于生產(chǎn)過程中電弧爐不同區(qū)域溫度場不均勻，會產(chǎn)生碳化硼顆粒大小不均勻，反應(yīng)不徹底等現(xiàn)象。產(chǎn)物粒度一般較大，需進行破碎處理。
2.自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法，又常被稱為SHS技術(shù)。這一方法是前蘇聯(lián)物理化學研究所的Merzhahov等發(fā)明的。它是利用反應(yīng)物之間高的化學反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)。當反應(yīng)物被引燃，它會向尚未反應(yīng)的區(qū)域自動延伸反應(yīng)，直到反應(yīng)完全，是一種新的制備無機化合物高溫材料方法。由于它在難熔材料合成方面具有合成時間短、能耗低等許多傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)點，正日益引起材料界的重視。如果固相化學反應(yīng)是強烈的放熱反應(yīng)，即可采用該種方法制取化合物粉末。
SHS過程示意圖
該方法具有反應(yīng)溫度較低（1000℃～1200℃）、節(jié)約能源（利用外部能源點火后，僅靠反應(yīng)放出的熱量即可使燃燒波進行下去）、反應(yīng)迅速等優(yōu)點，所以合成出的碳化硼粉純度較高且原始粉末粒度較細（0.1～4μm），一般不需要再破碎處理。另外，SHS過程中升溫和冷卻速度極快，易于形成高濃度缺陷和非平衡結(jié)構(gòu)，粉末的晶形呈不規(guī)則，可以使產(chǎn)物具有高的活性，從而提高其燒結(jié)性能。但是極難徹底洗去產(chǎn)物中的硼鎂雜質(zhì)，會增加工藝流程及成本，這是工藝中應(yīng)該進一步研究的問題。
3. 聚合物前驅(qū)體裂解法
低溫前驅(qū)體裂解法是一種當無機物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠、固化四個過程后，再經(jīng)過熱處理操作成為固體化合物的方法。該方法能在分子水平上設(shè)計和控制碳化硼粉體的均勻性及粒度，從而得到超細、高純并且均勻的納米材料。碳源一般為甘油、檸檬酸、聚乙烯醇、葡萄糖、甘露醇、淀粉、蔗糖和纖維素等，硼源為硼酸或硼酐。
4. 溶膠凝膠法
該法的基本原理是易于水解的金屬化合物（無機鹽或金屬醇鹽）在某溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程逐漸凝膠化，再經(jīng)過干燥燒結(jié)等處理得到所需材料?；痉磻?yīng)有水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)，可在低溫下制備高純、粒徑分布均勻、化學活性高的單多組分混合物。
選擇合適的硼源、碳源而形成凝膠，本方法具有原料的分子級混合更加均勻、反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物膨松等優(yōu)點。
總的來說，碳化硼因具有很多優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用。目前有關(guān)碳化硼粉末的制備，碳化硼陶瓷材料燒結(jié)的很多難題都已解決。在未來的材料領(lǐng)域，碳化硼一定能以其優(yōu)異的性能而占據(jù)重要的位置。
參考資料：
1. 石浩，豆志河，張廷安。碳化硼粉體制備及應(yīng)用綜述（東北大學冶金學院）
2. 劉珅楠，孫帆，譚章娜等。碳化硼的研究進展（溫州大學化學與材料工程學院）。
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