碳化硼的介绍和应用

英文名称： 碳化硼

同义词：B4-C、B4C、黑金刚石、碳化四硼

CAS编号：12069-32-8

BINECS编号：235-111-5

RTECS编号：ED7420000

MSDS：外部 MSDS

化学式：B4C

相对分子量：55.26

外观：黑色火药

密度：2.52克/立方厘米（固体）

熔点：2450°C

沸点：3500°C

晶体结构：菱形六面体

莫氏硬度：9.36

显微硬度：4950kgf/mm²

水溶性：不溶

碳化硼的物理性质和物理化学常数：碳化硼是通过在电炉中高温熔炼硼酸和碳材料制得的。其理论密度为2.52 g/cm³，熔点为2450℃，显微硬度为4950 kgf/mm²，莫氏硬度为9.3。其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。碳化硼具有耐高温、耐酸碱腐蚀、强度高、化学稳定性好、比重低等特性，使其在众多新型材料领域得到广泛应用。

碳化硼的主要应用领域和特点：（1）在国防工业中的应用：碳化硼用于制造弹道材料，例如防弹背心中的防弹板， 陶瓷球军用飞机驾驶舱内的防弹瓷砖，以及现代装甲运兵车和坦克中的陶瓷防弹板。在军工行业，它可用于制造枪炮喷嘴。目前，铝₂这₃基于氧化铝的防弹陶瓷已应用于“502工程”和“212工程”。然而，当在装甲车辆侧面使用氧化铝基陶瓷复合装甲时，减重效果并不显著。相比之下，使用高性能硼 碳化物陶瓷 相同厚度的复合装甲可在进一步提升弹道性能的同时，减轻15%至20%的重量。因此，在关键装备工程陶瓷复合装甲的研发中，迫切需要高性能、低成本的碳化硼防弹陶瓷。高性能、低成本碳化硼弹道陶瓷材料的研发和应用，能够显著提升相关武器的作战性能，并带来巨大的军事和经济效益。碳化硼弹道陶瓷材料的应用方向包括：关键装备工程、未来主战坦克、步兵战车、空投车辆等轻型装甲车辆，以及武装直升机腹部装甲和舰艇上部结构的防护。

（2）在核工业中的应用：碳化硼用于制造核反应堆的控制棒、调节棒、事故棒、安全棒和屏蔽棒。它还用于生产碳化硼瓦、板或中子吸收体（由高硼含量碳化硼制成）。₁₀ 碳化硼是一种重要的中子吸收材料，其粉末状成分可用于辐射防护，并可与水泥混合用于建造反应堆屏蔽层。它是仅次于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产生任何放射性同位素，使其成为核能发电领域中理想的中子吸收材料以及核反应堆的核心部件。中子吸收材料主要用于控制核裂变速率，为了增加其表面积，通常以粉末形式生产。碳化硼具有中子吸收截面大、吸收能谱宽、价格低廉、原料来源丰富以及中子吸收后产生的强λ射线二次辐射极少等优点，便于废物处理。因此，碳化硼是一种重要的中子吸收材料。

（3）在耐火材料领域的应用：碳化硼可用作低碳镁碳砖和浇注料的抗氧化添加剂。在钢铁工业中，它被应用于对耐高温和耐腐蚀性要求极高的关键部件，例如钢包、出钢口（中间包）、滑板和止挡杆。随着钢铁行业节能减耗的需求以及低碳钢和超低碳钢冶炼的需要，国内外业界越来越关注高性能低碳镁碳砖（碳含量通常4C 具有优异的常规物理性能、抗氧化性和热冲击稳定性。

特性：碳化硼在含碳耐火材料中起到抗氧化剂的作用，能够提高产品致密度并防止含碳耐火材料中碳的氧化。同时，在1000℃至1250℃的温度范围内发生反应，生成(9Al)柱状晶体结构。₂这₃•2B₂这₃这些颗粒分布在耐火材料的基体和空隙中。这一过程降低了孔隙率，提高了中温强度，并且生成的晶体体积膨胀，从而弥补了体积收缩并减少了裂纹。

（4）其他工程陶瓷材料：碳化硼用于制造喷砂机喷嘴、高压水切割机喷嘴、密封圈、陶瓷模具等。特点：碳化硼喷嘴具有高硬度和耐磨性，将逐步取代已知的硬质合金（钨钢）以及碳化硅、氮化硅、氧化铝和氧化锆等材料。此外，碳化硼在复合陶瓷中的应用：碳化硼是一种共价键强度极高、塑性较差的化合物，其晶界移动阻力较大，难以获得致密的烧结体。除一些特殊情况，例如微晶碳化硼气动力轴承材料和用作原子反应堆中子吸收剂的碳化硼块外，通常通过添加烧结助剂来改善碳化硼的烧结性能，从而获得更具成本效益和实用性的碳化硼产品。此外，在碳化硼中添加大量的碳化硅来制备复合材料是提高烧结密度的有效方法。碳化硅本身具有优异的机械和物理性能，包括高比强度、比模量、良好的耐腐蚀性、抗热震性、低密度和低热膨胀系数。

此外，在元素周期表中，Si 与 B 和 C 相邻，因此它们的性能非常相似。 根据相容性原理，SiC的存在能够改善烧结扩散，促进碳化硼的烧结。研究碳化硅陶瓷烧结的科学家发现，在碳化硅中添加适量的碳化硼可以得到更致密的烧结体。由此可见，碳化硼和碳化硅在烧结过程中可以相互促进致密化。值得注意的是，B₄C-SiC复合陶瓷可以在保持碳化硼陶瓷优异的物理和机械性能的同时，降低碳化硼陶瓷的烧结条件。₄碳化硅陶瓷被认为是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损且应用前景广阔的材料，已应用于工业喷嘴、泵密封件和热挤压模具等领域。近几十年来，随着科技的飞速发展，尤其是在电子技术、航天技术和计算机技术领域，人们对具有特殊性能的材料的需求日益迫切。资源丰富、生产成本低廉、易于加工且具有诸多独特性能的特种陶瓷应运而生，被誉为“通用陶瓷”，成为21世纪最具发展前景的材料之一。碳化硼凭借其优异的性能，已成为特种陶瓷家族的重要成员。目前，碳化硼粉末的制备和碳化硼陶瓷材料的烧结等诸多难题已得到有效解决。未来，碳化硼凭借其卓越的性能，必将在材料领域占据重要地位。

（5）用于一般工业领域：

碳化硼由高等级耐磨焊条制成，可增强焊接表面的耐磨强度；它可用作研磨抛光材料、水切割磨料和金刚石磨料修正材料；在珠宝行业中用于高精度抛光和研磨。特性：碳化硼是一种比碳化硅或碳化钨更硬的固体，很久以前就被用作粗砂磨料。由于其熔点高，不易铸造成工艺品，但通过高温熔化粉末，可以加工成简单的形状，用于研磨、打磨、钻孔和抛光硬质合金、宝石等。

（6）碳化硼的电性能及其应用：

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套管组成。在惰性气体和真空环境下，可使用温度高达2200℃。在600~2200℃范围内，电势差与温度呈良好的线性关系。

（7）碳化硼作为化工原料的应用：

碳化硼粉末可被卤素活化，用作钢及其他合金的渗硼剂，使硼渗入钢表面，形成薄层硼化铁增强层，从而提高钢的强度和耐磨性。碳化硼也可作为某些金属基摩擦材料的非金属添加剂。采用还原化学法制备硼化物粉末时，碳化硼可作为硼源，用于生产TiB₂、ZrB₂、CrB₂等粉末，这种方法被称为“碳化硼法”粉末制备。

（8） 蓝宝石晶片中的碳化硼（LED）：

近年来，国家对LED产业的大力支持和推动，使得LED产业发展形势日益好转，也为蓝宝石晶体生产加工企业带来了巨大的商机。然而，由于蓝宝石晶体强度高、硬度高（莫氏硬度9），给加工企业带来了诸多挑战。从材料和研磨科学的角度来看，加工研磨蓝宝石晶体的最佳材料是人造金刚石、碳化硼和二氧化硅。人造金刚石硬度过高（莫氏硬度10），研磨蓝宝石晶片时容易划伤表面，影响晶片的透光率，且成本较高；而二氧化硅硬度不足（莫氏硬度7），研磨力较弱。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）是加工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以及蓝宝石基LED外延晶片的减薄和抛光方面表现出优异的性能。国内一些重点高校也对碳化硼在蓝宝石晶体研磨方面的应用进行了深入研究。总之，随着LED产业的快速发展，碳化硼的应用也将迅速增长。

总之，随着社会和科学技术的发展，碳化硼的应用领域将不断被发现和扩展，市场应用前景也将更加广阔。