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(jī)非金屬材料。目前大家對(duì)碳化硼這種材料的熟知可能是因?yàn)榉缽椦b甲的應(yīng)用，因?yàn)樗谔沾刹牧现忻芏茸畹停哂袕椥阅Ａ枯^高、硬度高等優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到很好的利用微破碎來吸收射彈能量的效果，同時(shí)盡量減輕負(fù)重。但其實(shí)，碳化硼還有許多其他的獨(dú)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(qiáng)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(qiáng)，熱穩(wěn)定性能較好，熔點(diǎn)為2450 ℃，因此它在核工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，同時(shí)它的中子吸收能力通過添加B元素還可進(jìn)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(diǎn)、高彈性模量、低膨脹系數(shù)和良好的氧吸收能力等優(yōu)點(diǎn)，這些都使它成為冶金、化工、機(jī)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(xué)性質(zhì)方面，碳化硼在常溫下不會(huì)和酸、堿以及大多數(shù)無機(jī)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(xué)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(qiáng)了材料的強(qiáng)度和耐磨性，其化學(xué)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(lán)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(lán)寶石是實(shí)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(dá)到超光滑無損傷的程度。由于藍(lán)寶石晶體的強(qiáng)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(xué)界的角度來看，加工和研磨藍(lán)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(lán)寶石晶片時(shí)會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生劃傷，影響晶片的透光度，并且價(jià)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(fèi)時(shí)、費(fèi)工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成為加工和研磨藍(lán)寶石晶體最理想的材料，在藍(lán)寶石晶片的雙面研磨和藍(lán)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(shí)，外表會(huì)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(jìn)一步被氧化，使它在耐火材料應(yīng)用中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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(jí)的定形和不定形耐火材料廣泛用在冶金各個(gè)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(guó)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(jí)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(shí)會(huì)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(hù)，發(fā)揮抗氧化作用。同時(shí)因?yàn)榉磻?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(qiáng)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(qiáng)國(guó)防力量的防彈材料

碳化硼由于硬度大、強(qiáng)度高、比重小、其抗彈性能等級(jí)高，特別符合抗彈材質(zhì)輕質(zhì)化的趨勢(shì)要求，是飛機(jī)、車輛、裝甲、人體等防護(hù)的最佳抗彈材料；目前，國(guó)家總裝備部已提出低價(jià)位碳化硼抗彈裝甲研究，旨在推廣碳化硼抗彈裝甲在我國(guó)國(guó)防工業(yè)的大面積使用。

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熱壓燒結(jié)碳化硼讓防彈效果更佳

碳化硼抗彈陶瓷的制備方法及應(yīng)用

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(guó)際公認(rèn)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(dá)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(dāng)?shù)谝煌６严到y(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，第二停堆系統(tǒng)采用大量碳化硼小球自由落體進(jìn)入堆芯反射層孔道等方法，使反應(yīng)堆停閉，并實(shí)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(chǔ)存材料），硼化銪（堆芯可燃毒物材料）等。

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碳化硼材料在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用研究

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(diǎn)、應(yīng)用前景如下所示：

下面主要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的四種方法進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)重要方法，同時(shí)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(shí)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(jiǎn)單、占地面積小、建成速度快、工藝操作成熟等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)，由于生產(chǎn)過程中電弧爐不同區(qū)域溫度場(chǎng)不均勻，會(huì)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(jìn)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(xué)研究所的Merzhahov等發(fā)明的。它是利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)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(dāng)反應(yīng)物被引燃，它會(huì)向尚未反應(yīng)的區(qū)域自動(dòng)延伸反應(yīng)，直到反應(yīng)完全，是一種新的制備無機(jī)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(shí)間短、能耗低等許多傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，正日益引起材料界的重視。如果固相化學(xué)反應(yīng)是強(qiáng)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(diǎn)火后，僅靠反應(yīng)放出的熱量即可使燃燒波進(jìn)行下去）、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，所以合成出的碳化硼粉純度較高且原始粉末粒度較細(xì)（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(huì)增加工藝流程及成本，這是工藝中應(yīng)該進(jìn)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(dāng)無機(jī)物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠、固化四個(gè)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(jì)和控制碳化硼粉體的均勻性及粒度，從而得到超細(xì)、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(jī)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。基本反應(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(xué)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(jí)混合更加均勻、反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物膨松等優(yōu)點(diǎn)。

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(xué)冶金學(xué)院）

2. 劉珅楠，孫帆，譚章娜等。碳化硼的研究進(jìn)展（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院）。

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