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邹小姐：13326633089 -
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碳(tan)化(hua)硼是一种具(ju)有金(jin)属(shu)光泽(ze)的黑色(se)晶(jing)体(ti)，又名黑钻石，属(shu)于无机非金(jin)属(shu)材料。目前大家对碳化硼(peng)这种(zhong)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)熟知(zhi)可能是因为(wei)防弹(dan)装甲(jia)的(de)(de)应(ying)用，因为(wei)它在陶瓷材(cai)(cai)料(liao)中密度(du)最低，具有弹(dan)性模(mo)量(liang)较(jiao)高、硬(ying)度(du)高等优势，可以达到很好(hao)的(de)(de)利用微破(po)碎来吸收射弹(dan)能量(liang)的(de)(de)效果，同时尽量(liang)减轻负重。但其(qi)实，碳化硼(peng)还有许(xu)多其(qi)他的(de)(de)独特(te)性质，可以使其(qi)在磨料(liao)、耐火材(cai)(cai)料(liao)、核工业、航(hang)空航(hang)天(tian)等领域(yu)发(fa)挥重要作用。
碳化硼(peng)
碳化(hua)硼(peng)的性(xing)质
在(zai)物理(li)(li)性质方面，碳化(hua)硼(peng)的(de)硬度(du)仅在(zai)金刚石与立方氮化(hua)硼(peng)之后，高(gao)温下仍能(neng)保(bao)持很高(gao)强(qiang)度(du)，可(ke)作为理(li)(li)想的(de)高(gao)温耐(nai)磨(mo)材料；碳化(hua)硼(peng)密度(du)非常小（理(li)(li)论密度(du)仅为2.52 g/cm3），轻于(yu)一(yi)般的(de)陶(tao)瓷材料，可(ke)应(ying)用(yong)于(yu)航(hang)(hang)(hang)天(tian)航(hang)(hang)(hang)空(kong)领(ling)域(yu)；碳化(hua)硼(peng)的(de)中子吸(xi)收(shou)能(neng)力很强(qiang)，热稳(wen)定性能(neng)较好(hao)(hao)，熔(rong)点(dian)(dian)为2450 ℃，因此它(ta)在(zai)核工业领(ling)域(yu)也有(you)广泛应(ying)用(yong)，同时它(ta)的(de)中子吸(xi)收(shou)能(neng)力通过添加B元(yuan)素还(hai)可(ke)进(jin)一(yi)步改善；特定形(xing)貌和(he)结(jie)构的(de)碳化(hua)硼(peng)材料还(hai)具(ju)有(you)特殊的(de)光(guang)电(dian)等性能(neng)；此外(wai)，碳化(hua)硼(peng)还(hai)有(you)高(gao)熔(rong)点(dian)(dian)、高(gao)弹(dan)性模量、低(di)膨胀系(xi)数和(he)良(liang)好(hao)(hao)的(de)氧吸(xi)收(shou)能(neng)力等优(you)点(dian)(dian)，这(zhei)些都使(shi)它(ta)成为冶金、化(hua)工、机械(xie)、航(hang)(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)(hang)天(tian)军工等繁多领(ling)域(yu)的(de)一(yi)种潜在(zai)的(de)应(ying)用(yong)材料。例如，耐(nai)蚀耐(nai)磨(mo)零件、制作防弹(dan)装甲、反应(ying)堆控制棒和(he)热电(dian)元(yuan)件等。
在(zai)化(hua)(hua)学(xue)性(xing)质(zhi)方面，碳化(hua)(hua)硼(peng)(peng)在(zai)常温(wen)下不(bu)会和(he)酸、碱以及大多数无机化(hua)(hua)合物(wu)发生反应，常温(wen)下几(ji)乎不(bu)与氧气、卤族气体(ti)反应，化(hua)(hua)学(xue)性(xing)质(zhi)稳定。此外，碳化(hua)(hua)硼(peng)(peng)粉末作为钢硼(peng)(peng)化(hua)(hua)剂受卤素(su)活化(hua)(hua)，在(zai)钢的表(biao)面渗(shen)入硼(peng)(peng)以生成硼(peng)(peng)化(hua)(hua)铁薄膜从而增强(qiang)了材料的强(qiang)度和(he)耐磨性(xing)，其化(hua)(hua)学(xue)性(xing)能优良(liang)。
我们(men)都知道(dao)材料(liao)的(de)性(xing)质决定(ding)用途，那(nei)么(me)碳(tan)化硼粉体(ti)在哪些应(ying)用中(zhong)有(you)着(zhe)突出表现呢？
碳化硼的应用
1.碳化硼被(bei)用作抛(pao)光磨料(liao)
碳化硼作为磨(mo)料的(de)应用主(zhu)要是用于蓝宝石的(de)研磨(mo)抛光(guang)，在超(chao)硬(ying)材料中(zhong)，碳化硼的(de)硬(ying)度(du)优(you)于氧(yang)化铝和碳化硅，仅次于金(jin)刚石和立方(fang)氮化硼。蓝宝石是实(shi)际应用的半导体GaN/Al 2O3发光二极(ji)管(guan)（LED）、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最理想的衬底材料，其(qi)表面的光(guang)滑程度要求很高(gao)，必须达到超光(guang)滑无损伤的程度。由于蓝宝(bao)石晶体(ti)的强(qiang)度(du)高、硬度(du)大（莫氏硬度(du)9）给加工企业带来了很大的困难。
从(cong)材料和研(yan)磨(mo)学界的角(jiao)度来看，加工和研(yan)磨(mo)蓝宝石晶体最好的材料是人造金(jin)刚石、碳化硼、碳化硅、二(er)氧化硅。人造金(jin)刚石硬度过大(da)（莫氏硬度10）在研磨蓝宝石晶片时会对表面产生划伤，影响晶片的透光度，并且价格昂贵；碳化硅切割(ge)完通常粗糙(cao)度(du)RA较高，平整度较差；而二氧(yang)化硅硬(ying)度(du)不够（莫氏硬(ying)度(du)7）、磨削力差在研磨工程中费时、费工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度(du)9.3）成为加工和研磨蓝宝石晶体最理想的材料，在蓝(lan)宝石晶片的双面研磨和蓝(lan)宝石基(ji)LED外延片背减薄抛光方面有着卓越的表现。
值得一提的是，由于碳(tan)化(hua)硼在600℃以上时，外表会氧化成B2O3薄膜，使其(qi)发生一定的(de)软化，因(yin)此在磨料应用中并不(bu)适用于温度过高的(de)干磨，只适用于抛光液研磨。但这种性质可阻止了(le)B4C的(de)进一步被氧化(hua)，使它在耐火材料(liao)应用中有独特的(de)优(you)势。
2.在耐火材料方面(mian)的应用
碳化硼(peng)具(ju)有(you)抗氧化、耐高温(wen)的特(te)性，一般被用作(zuo)高级的定形和不定形耐火材料广泛用在冶金(jin)各个领域，如钢铁炉具(ju)、窑具(ju)等。
随着钢铁工业(ye)节能(neng)(neng)降(jiang)耗和(he)冶(ye)炼(lian)低(di)碳(tan)(tan)钢、超(chao)低(di)碳(tan)(tan)钢的(de)(de)需(xu)要，研究开(kai)发性(xing)能(neng)(neng)优(you)良的(de)(de)低(di)碳(tan)(tan)镁(mei)碳(tan)(tan)砖（碳(tan)(tan)含量一般﹤8%）日(ri)益受到国内外业(ye)界的(de)(de)关注。目前，一般通过改(gai)善结合(he)碳(tan)(tan)结构(gou)(gou)、优(you)化(hua)镁(mei)碳(tan)(tan)砖基质结构(gou)(gou)，增(zeng)加高效(xiao)抗(kang)(kang)氧(yang)化(hua)剂等措(cuo)施来(lai)提高低(di)碳(tan)(tan)镁(mei)碳(tan)(tan)砖的(de)(de)使用(yong)性(xing)能(neng)(neng)，其中采用(yong)工业(ye)级碳(tan)(tan)化(hua)硼及部分石墨化(hua)炭黑构(gou)(gou)成(cheng)的(de)(de)石墨化(hua)炭黑复合(he)粉体(ti)(ti)，将其作为碳(tan)(tan)源和(he)抗(kang)(kang)氧(yang)化(hua)剂用(yong)于低(di)碳(tan)(tan)镁(mei)碳(tan)(tan)砖，取(qu)得(de)了(le)很好(hao)的(de)(de)效(xiao)果。
由于碳(tan)化硼在高温时会(hui)发生一定的软化，因此可以(yi)附着(zhe)在其他(ta)材料颗(ke)粒的表(biao)面(mian)(mian)，既使产品致密(mi)化，其表(biao)面(mian)(mian)的B2O3氧化(hua)薄膜可形成(cheng)一(yi)定的保护，发挥抗氧化(hua)作(zuo)用。同(tong)时因为反(fan)应生成(cheng)柱(zhu)状晶体(ti)(ti)分布(bu)在耐火材料的基质和(he)间(jian)隙里，从(cong)而(er)降(jiang)低气孔(kong)率，提高(gao)中温强度，且(qie)生成(cheng)晶体(ti)(ti)体(ti)(ti)积膨(peng)胀，可愈合体(ti)(ti)积收缩，减(jian)少裂纹。
3.用于增(zeng)强国(guo)防力量的防弹材料
碳(tan)化(hua)硼由(you)于硬度大(da)、强度高、比(bi)重小、其(qi)抗(kang)(kang)(kang)(kang)弹(dan)性能等级高，特别符合抗(kang)(kang)(kang)(kang)弹(dan)材(cai)质轻质化(hua)的(de)趋势要求，是飞机、车(che)辆、装甲、人体(ti)等防护(hu)的(de)最佳抗(kang)(kang)(kang)(kang)弹(dan)材(cai)料；目前，国(guo)(guo)家总装备部已提出低价(jia)位碳(tan)化(hua)硼抗(kang)(kang)(kang)(kang)弹(dan)装甲研究，旨在推广碳(tan)化(hua)硼抗(kang)(kang)(kang)(kang)弹(dan)装甲在我国(guo)(guo)国(guo)(guo)防工业的(de)大(da)面积使用。
扩展(zhan)阅(yue)读：
防(fang)弹陶瓷
4.在核工业上的(de)应用(yong)
碳化硼的(de)中(zhong)子(zi)吸(xi)收截面高，吸(xi)收中(zhong)子(zi)的(de)能(neng)谱宽，被(bei)国际公认为(wei)是核工业的(de)最佳中(zhong)子(zi)吸(xi)收剂。其中(zhong)硼-10同位素的热截面高达347×10-24 cm2，仅次(ci)于钆、钐、镉等少数元素(su)，是高效的热中子吸收剂。此外，碳(tan)化硼(peng)资源丰富(fu)，耐腐蚀(shi)，热稳定性(xing)好，不产生(sheng)放射性(xing)同位素(su)，二次(ci)射线能量低(di)等，因此碳(tan)化硼(peng)被广泛(fan)地用(yong)作核反应堆中的控制材(cai)料和屏蔽材(cai)料。
例如(ru)在核(he)工业中，高温(wen)气冷(leng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)采(cai)用硼(peng)吸收球(qiu)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)系(xi)(xi)(xi)统(tong)作为(wei)第二(er)(er)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)系(xi)(xi)(xi)统(tong)，在事故情况(kuang)下，当第一停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)系(xi)(xi)(xi)统(tong)出现(xian)故障时(shi)，第二(er)(er)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)系(xi)(xi)(xi)统(tong)采(cai)用大量碳化(hua)(hua)硼(peng)小球(qiu)自由落体进入堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)芯反(fan)射层孔道等方法，使反(fan)应(ying)(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)停(ting)闭，并实现(xian)冷(leng)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)，其(qi)中吸收球(qiu)即为(wei)含(han)有碳化(hua)(hua)硼(peng)的石(shi)墨球(qiu)。碳化(hua)(hua)硼(peng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)芯在高温(wen)气冷(leng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)中的主要作用是控制反(fan)应(ying)(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)功率及安全，碳砖中渗有碳化(hua)(hua)硼(peng)中子吸收材料(liao)，可以降低反(fan)应(ying)(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)压力壳的中子照(zhao)射。
目前核反应(ying)堆(dui)用硼(peng)化(hua)物(wu)材料(liao)(liao)主要包括如下几种材料(liao)(liao)：碳化(hua)硼(peng)（控制棒、屏(ping)蔽棒），硼(peng)酸（慢化(hua)剂、冷(leng)却剂），硼(peng)钢（控制棒和核燃料(liao)(liao)及核废料(liao)(liao)的储存材料(liao)(liao)），硼(peng)化(hua)铕（堆(dui)芯可燃毒物(wu)材料(liao)(liao)）等。
扩展阅读：
碳化硼(peng)粉体的制备
根据不同的反应原理、不同的原料和设备，碳化硼的制备方法及其优缺点、应用前景如下所示：
下面主要对工业生产的(de)四种方(fang)法进行简单(dan)介绍。
1. 碳(tan)热还原(yuan)法(fa)
碳热还原法(fa)是(shi)目前碳化硼生产的一个(ge)重(zhong)要方(fang)法(fa)，同时也(ye)是(shi)工(gong)业上最普遍的方(fang)法(fa)。该方(fang)法(fa)主要
是(shi)利用高温下碳的还(hai)原性，将硼(peng)源中的硼(peng)还(hai)原出(chu)来(lai)，同时与其(qi)结合生成碳化硼(peng)。反应中，碳既作(zuo)为(wei)(wei)还(hai)原剂(ji)，也作(zuo)为(wei)(wei)原料。工(gong)艺流(liu)程是(shi)：
碳热还原法生产碳化硼(peng)粉体工艺流程图
该方法具有设(she)备结(jie)构简单(dan)、占(zhan)地面积小、建(jian)成速(su)度(du)(du)快、工(gong)艺操作成熟等优(you)点。但同(tong)时，由于生(sheng)产过程(cheng)中电弧炉不(bu)同(tong)区域温度(du)(du)场不(bu)均匀，会产生(sheng)碳化硼颗(ke)粒大小不(bu)均匀，反应(ying)不(bu)彻底等现(xian)象(xiang)。产物粒度(du)(du)一般较(jiao)大，需进行破(po)碎处理(li)。
2.自蔓延高温合(he)成法
自(zi)(zi)蔓延高(gao)温(wen)(wen)合成(cheng)(cheng)法，又常被称(cheng)为SHS技术。这一(yi)方法是(shi)(shi)前苏联物理化(hua)学(xue)研究(jiu)所的(de)(de)(de)Merzhahov等发明的(de)(de)(de)。它(ta)是(shi)(shi)利(li)用反(fan)(fan)应物之间高(gao)的(de)(de)(de)化(hua)学(xue)反(fan)(fan)应热的(de)(de)(de)自(zi)(zi)加热和自(zi)(zi)传导作(zuo)用来合成(cheng)(cheng)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)一(yi)种技术。当反(fan)(fan)应物被引(yin)燃，它(ta)会向(xiang)尚未反(fan)(fan)应的(de)(de)(de)区域自(zi)(zi)动延伸反(fan)(fan)应，直到反(fan)(fan)应完全，是(shi)(shi)一(yi)种新(xin)的(de)(de)(de)制(zhi)备(bei)无机(ji)化(hua)合物高(gao)温(wen)(wen)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)方法。由于(yu)它(ta)在难熔材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)合成(cheng)(cheng)方面具有合成(cheng)(cheng)时(shi)间短、能耗低等许多传统方法难以(yi)比拟的(de)(de)(de)优点(dian)，正日益引(yin)起材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)界的(de)(de)(de)重视。如(ru)果固相化(hua)学(xue)反(fan)(fan)应是(shi)(shi)强烈的(de)(de)(de)放热反(fan)(fan)应，即可采用该种方法制(zhi)取化(hua)合物粉末。
SHS过程示意图(tu)
该方(fang)法(fa)具有(you)反应温度较低(di)（1000℃～1200℃）、节约能源（利用外部能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波进行下去）、反应迅速等优点，所以合成出的碳化硼粉纯度较高且原始粉末粒度较细（0.1～4μm），一般不需要再破碎处理。另外，SHS过程中升温和冷却速度极快，易于形成高浓度缺陷和非平衡结构，粉末的晶形呈不规则，可以使产物具有高的活性，从而提高其烧结性能。但(dan)是极(ji)难彻底洗去(qu)产物中的(de)硼镁杂质，会增(zeng)加工(gong)(gong)艺流程(cheng)及成本，这是工(gong)(gong)艺中应该进一步研究的(de)问题。
3. 聚合物前(qian)驱体(ti)裂解法
低(di)温前驱体裂解法是(shi)一种当无机物或金(jin)属醇盐经过溶(rong)液、溶(rong)胶(jiao)、凝胶(jiao)、固化(hua)四个(ge)过程后，再经过热处理操作成为固体化(hua)合物的(de)方法。该方法能在分子水平上(shang)设计和控(kong)制碳化(hua)硼粉体的(de)均(jun)匀(yun)性及粒度，从而得(de)到超细、高(gao)纯并且均(jun)匀(yun)的(de)纳(na)米(mi)材(cai)料。碳源(yuan)(yuan)一般为甘(gan)油、柠檬酸、聚乙烯醇、葡萄糖(tang)、甘(gan)露醇、淀粉、蔗(zhe)糖(tang)和纤(xian)维素等，硼源(yuan)(yuan)为硼酸或硼酐。
4. 溶胶凝(ning)胶法
该法的基本(ben)原理(li)是易于水解的金(jin)属(shu)化合(he)(he)物(wu)（无机盐或金(jin)属(shu)醇盐）在(zai)某溶(rong)剂中(zhong)与(yu)水发生反(fan)应(ying)，经过水解与(yu)缩聚过程(cheng)逐渐凝胶(jiao)化，再经过干燥烧结等处(chu)理(li)得(de)到所需(xu)材料。基本(ben)反(fan)应(ying)有水解反(fan)应(ying)和聚合(he)(he)反(fan)应(ying)，可在(zai)低温下制备高(gao)纯、粒径分布(bu)均匀(yun)、化学活性(xing)高(gao)的单多组分混合(he)(he)物(wu)。
选择合适的(de)硼源、碳源而形(xing)成凝(ning)胶，本方法具有原料的(de)分子级混合更加均匀(yun)、反(fan)应温度低、产物膨松等优点(dian)。
总的来(lai)说，碳化(hua)(hua)硼(peng)因(yin)具有很多优(you)良的性能而被广泛应用。目(mu)前有关(guan)碳化(hua)(hua)硼(peng)粉末(mo)的制备，碳化(hua)(hua)硼(peng)陶(tao)瓷材(cai)料烧结的很多难题(ti)都已解决。在未(wei)来(lai)的材(cai)料领(ling)域，碳化(hua)(hua)硼(peng)一定能以(yi)其优(you)异(yi)的性能而占据重要的位置。
参考资料：
1. 石(shi)浩，豆(dou)志河，张(zhang)廷安。碳(tan)化硼粉(fen)体制备及应用(yong)综述(shu)（东北大学(xue)冶金学(xue)院）
2. 刘珅楠，孙帆，谭章娜等。碳化(hua)硼(peng)的研究(jiu)进(jin)展（温州大学化(hua)学与材(cai)料(liao)工程学院）。
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