碳化硼的介紹與應用

英文名稱： 碳化硼

同義詞：B4-C、B4C、黑鑽石、碳化四硼

CAS編號：12069-32-8

BINECS編號：235-111-5

RTECS編號：ED7420000

MSDS：外部 MSDS

化學式：B4C

相對分子量：55.26

外觀：黑色火藥

密度：2.52克/立方公分（固體）

熔點：2450°C

沸點：3500°C

晶體結構：​​菱形六面體

莫氏硬度：9.36

顯微硬度：4950kgf/mm²

水溶性：不溶

碳化硼的物理性質和物理化學常數：碳化硼是透過在電爐中高溫熔煉硼酸和碳材料而製得的。其理論密度為2.52 g/cm³，熔點為2450℃，顯微硬度為4950 kgf/mm²，莫氏硬度為9.3。其硬度僅次於鑽石和立方氮化硼。碳化硼具有耐高溫、耐酸鹼腐蝕、強度高、化學穩定性佳、比重低等特性，使其在許多新型材料領域中廣泛應用。

碳化硼的主要應用領域和特點：（1）在國防工業的應用：碳化硼用於製造彈道材料，例如防彈背心中的防彈板， 陶瓷球軍用飛機駕駛艙內的防彈瓷磚，以及現代裝甲運兵車和坦克中的陶瓷防彈板。在軍工行業，它可用於製造槍砲噴嘴。目前，鋁₂這₃基於氧化鋁的防彈陶瓷已應用於「502工程」和「212工程」。然而，當在裝甲車輛側面使用氧化鋁基陶瓷複合裝甲時，減重效果並不顯著。相比之下，使用高性能硼 碳化物陶瓷 相同厚度的複合裝甲可在進一步提升彈道性能的同時，減輕15%至20%的重量。因此，在關鍵設備工程陶瓷複合裝甲的研發中，迫切需要高性能、低成本的碳化硼防彈陶瓷。高性能、低成本碳化硼彈道陶瓷材料的研發和應用，能夠大幅提升相關武器的作戰性能，並帶來巨大的軍事和經濟效益。碳化硼彈道陶瓷材料的應用方向包括：關鍵裝備工程、未來主戰坦克、步兵戰車、空投車輛等輕型裝甲車輛，以及武裝直升機腹部裝甲和艦艇上部結構的防護。

（2）在核工業的應用：碳化硼用於製造核反應器的控制棒、調節棒、事故棒、安全棒和屏蔽棒。它也用於生產碳化硼瓦、板或中子吸收體（由高硼含量碳化硼製成）。₁₀ 碳化硼是一種重要的中子吸收材料，其粉末狀成分可用於輻射防護，並可與水泥混合用於建造反應器屏蔽。它是僅次於核燃料元件的重要功能部件。碳化硼的特性：它能吸收大量中子而不產生任何放射性同位素，使其成為核能發電領域中理想的中子吸收材料以及核反應器的核心部件。中子吸收材料主要用於控制核分裂速率，為了增加其表面積，通常以粉末形式生產。碳化硼具有中子吸收截面大、吸收能譜寬、價格低廉、原料來源豐富、中子吸收後產生的強λ射線二次輻射極少等優點，以便於廢棄物處理。因此，碳化硼是一種重要的中子吸收材料。

（3）在耐火材料領域的應用：碳化硼可用作低碳鎂碳磚和澆注料的抗氧化添加劑。在鋼鐵工業中，它被應用於對耐高溫和耐腐蝕性要求極高的關鍵部件，例如鋼包、出鋼口（中間包）、滑板和止擋桿。隨著鋼鐵業節能減耗的需求以及低碳鋼和超低碳鋼冶煉的需要，國內外業界也越來越關注高性能低碳鎂碳磚（碳含量通常4C 具有優異的常規物理性能、抗氧化性和熱衝擊穩定性。

特性：碳化硼在含碳耐火材料中起到抗氧化劑的作用，能夠提高產品緻密度並防止含碳耐火材料中碳的氧化。同時，在1000℃至1250℃的溫度範圍內發生反應，生成(9Al)柱狀晶體結構。₂這₃•2B₂這₃這些顆粒分佈在耐火材料的基體和空隙中。這個過程降低了孔隙率，提高了中溫強度，並且產生的晶體體積膨脹，從而彌補了體積收縮並減少了裂縫。

（4）其他工程陶瓷材料：碳化硼用於製造噴砂機噴嘴、高壓水切割機噴嘴、密封圈、陶瓷模具等。特點：碳化硼噴嘴具有高硬度和耐磨性，將逐步取代已知的硬質合金（鎢鋼）以及碳化矽、氮化矽、氧化鋁和氧化鋯等材料。此外，碳化硼在複合陶瓷中的應用：碳化硼是一種共價鍵強度極高、塑性較差的化合物，其晶界移動阻力較大，難以獲得緻密的燒結體。除一些特殊情況，例如微晶碳化硼氣動力軸承材料和用作原子反應器中子吸收劑的碳化硼塊外，通常透過添加燒結助劑來改善碳化硼的燒結性能，從而獲得更具成本效益和實用性的碳化硼產品。此外，在碳化硼中添加大量的碳化矽來製備複合材料是提高燒結密度的有效方法。碳化矽本身俱有優異的機械和物理性能，包括高比強度、比模量、良好的耐腐蝕性、抗熱震性、低密度和低熱膨脹係數。

此外，在元素週期表中，Si 與 B 和 C 相鄰，因此它們的表現非常相似。 根據相容性原理，SiC的存在能夠改善燒結擴散，促進碳化硼的燒結。研究碳化矽陶瓷燒結的科學家發現，在碳化矽中添加適量的碳化硼可以得到更緻密的燒結體。由此可見，碳化硼和碳化矽在燒結過程中可以相互促進緻密化。值得注意的是，B₄C-SiC複合陶瓷可以在維持碳化硼陶瓷優異的物理和機械性能的同時，降低碳化硼陶瓷的燒結條件。₄碳化矽陶瓷被認為是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損且應用前景廣闊的材料，已應用於工業噴嘴、泵浦密封件和熱擠壓模具等領域。近幾十年來，隨著科技的快速發展，尤其是在電子技術、航太技術和電腦技術領域，人們對具有特殊性能的材料的需求日益迫切。資源豐富、生產成本低廉、易於加工且具有許多獨特性能的特種陶瓷應運而生，被譽為“通用陶瓷”，成為21世紀最具發展前景的材料之一。碳化硼憑藉其優異的性能，已成為特殊陶瓷家族的重要成員。目前，碳化硼粉末的製備和碳化硼陶瓷材料的燒結等諸多難題已有效解決。未來，碳化硼憑藉其卓越的性能，必將在材料領域中佔據重要地位。

（5）用於一般工業領域：

碳化硼由高等級耐磨焊條製成，可增強焊接表面的耐磨強度；它可用作研磨拋光材料、水切割磨料和鑽石磨料修正材料；在珠寶行業中用於高精度拋光和研磨。特性：碳化硼是一種比碳化矽或碳化鎢更硬的固體，很久以前就被用作粗砂磨料。由於其熔點高，不易鑄造製成工藝品，但透過高溫熔化粉末，可以加工成簡單的形狀，用於研磨、打磨、鑽孔和拋光硬質合金、寶石等。

（6）碳化硼的電氣特性及其應用：

碳化硼-石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及兩者之間的氮化硼套管組成。在惰性氣體和真空環境下，可使用溫度高達2200℃。在600~2200℃範圍內，電位差與溫度呈現良好的線性關係。

（7）碳化硼作為化學原料的應用：

碳化硼粉末可被鹵素活化，用作鋼及其他合金的滲硼劑，使硼滲入鋼表面，形成薄層硼化鐵增強層，從而提高鋼的強度和耐磨性。碳化硼也可作為某些金屬基摩擦材料的非金屬添加劑。利用還原化學法製備硼化物粉末時，碳化硼可作為硼源，用於生產TiB₂、ZrB₂、CrB₂等粉末，此方法稱為「碳化硼法」粉末製備。

（8） 藍寶石晶片中的碳化硼（LED）：

近年來，國家對LED產業的大力支持與推動，使得LED產業發展狀況日益好轉，也為藍寶石晶體生產加工企業帶來了龐大的商機。然而，由於藍寶石晶體強度高、硬度高（莫氏硬度9），為加工企業帶來了許多挑戰。從材料和研磨科學的角度來看，加工研磨藍寶石晶體的最佳材料是人造鑽石、碳化硼和二氧化矽。人造鑽石硬度過高（莫氏硬度10），研磨藍寶石晶片時容易刮傷表面，影響晶片的透光率，成本較高；而二氧化矽硬度不足（莫氏硬度7），研磨力較弱。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）是加工研磨藍寶石晶體最理想的材料。碳化硼磨料在藍寶石晶片的雙面研磨以及藍寶石基LED外延晶片的減薄和拋光方面表現出優異的性能。國內一些重點大學也對碳化硼在藍寶石晶體研磨的應用進行了深入研究。總之，隨著LED產業的快速發展，碳化硼的應用也將快速成長。

總之，隨著社會和科學技術的發展，碳化硼的應用領域將持續被發現和擴展，市場應用前景也將更加廣闊。