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碳化硼是非氧(yang)化(hua)物(wu)陶瓷中的非常重要的一个品种。它(ta)在1858年(nian)科学家研究金属硼(peng)化(hua)的合成(cheng)时被首(shou)次(ci)发(fa)现(xian)，在1883年(nian)时首(shou)次(ci)被人工合成(cheng)，并将(jiang)其写作B₃C，之后在(zai)1934年时化学计量式被正式修定为B₄C。

显(xian)微镜(jing)下的碳化硼颗粒

碳化硼最(zui)大(da)的特色就是硬(ying)度(du)极高，位(wei)于最硬材(cai)料的行列(lie)内，仅次于金(jin)刚石和立方氮化硼。除此之(zhi)外，还具(ju)有熔点高(2450℃)、弹性(xing)模量高、密度小(2.52 g/cm³)、热稳定性好、热中子(zi)吸收横(heng)截面(mian)(6×10^-22·cm^-2)高(gao)等优点。这些独特的(de)性质，使(shi)得(de)碳化硼(peng)成为很(hen)多(duo)工(gong)程应(ying)用(yong)领(ling)域中的(de)重要(yao)候选材料(liao)，在耐火材料(liao)、研(yan)磨介质、耐磨涂层、反应(ying)堆(dui)控制棒(bang)和屏蔽棒(bang)、轻质盔甲等诸多(duo)领(ling)域都有着(zhe)不(bu)错的(de)表现。

一、碳化硼的性能(neng)与应用(yong)

一种材料(liao)到底要怎么(me)用，往往和它(ta)的(de)性能息息相(xiang)关(guan)，碳化硼也(ye)不(bu)例外，具体如下：

1、高的硬度(du)和(he)耐磨性

碳(tan)(tan)化硼(peng)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)之高(gao)，使它拥有“黑钻石(shi)”之称。在均相区内，随着碳(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)质量(liang)分数增加，碳(tan)(tan)化硼(peng)的(de)(de)(de)(de)(de)维(wei)氏硬度(du)也增加。当w(C)从10.6%增加到20%时，硬度(du)从29.1 GPa增加到37.7 GPa。值得关注的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，碳(tan)(tan)化硼(peng)在高(gao)温(wen)时仍然拥有很高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)(>30 GPa)，因此是(shi)非常理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)温(wen)耐(nai)磨(mo)材料。另外，碳(tan)(tan)化硼(peng)的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)性能(neng)(neng)也仅次于金刚石(shi)。金刚石(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)磨(mo)性能(neng)(neng)测(ce)量(liang)值为0.613，碳(tan)(tan)化硼(peng)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)磨(mo)性能(neng)(neng)测(ce)量(liang)值为0.400~0.422，而(er)碳(tan)(tan)化硅的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)磨(mo)性能(neng)(neng)测(ce)量(liang)值则是(shi)0.314。

代表应用①:研磨材料

凭借优秀的(de)硬(ying)度(du)和耐磨(mo)(mo)性，碳(tan)(tan)化硼(peng)(peng)常被用(yong)作磨(mo)(mo)料(liao)(liao)、耐磨(mo)(mo)耐腐蚀(shi)陶瓷(ci)器件和汽车零部件等(deng)。碳(tan)(tan)化硼(peng)(peng)可用(yong)作硬(ying)质合(he)金、工程(cheng)陶瓷(ci)及(ji)蓝宝石(shi)等(deng)硬(ying)质材料(liao)(liao)的(de)抛(pao)光、精研或粉(fen)碎过(guo)程(cheng)的(de)研磨(mo)(mo)材料(liao)(liao)。近年来(lai)，逐渐(jian)用(yong)碳(tan)(tan)化硼(peng)(peng)逐渐(jian)代替之前的(de)金刚(gang)石(shi)来(lai)研磨(mo)(mo)蓝宝石(shi)晶片，可大幅度(du)降低研磨(mo)(mo)成本。据报道，近年来(lai)碳(tan)(tan)化硼(peng)(peng)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)的(de)需求(qiu)量(liang)随着LED等(deng)光电(dian)产(chan)业的(de)发(fa)展而激增，仅是2017年碳(tan)(tan)化硼(peng)(peng)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)市场规模就已接(jie)近8430吨(dun)。

蓝宝石材料(liao)衬底的生产过程需(xu)要(yao)大(da)量的碳(tan)化硼(peng)磨料(liao)

代(dai)表应(ying)用(yong)②:结构材料

利用(yong)粉(fen)末冶金技(ji)术(shu)制作耐(nai)磨(mo)和耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)的(de)碳(tan)化硼(peng)器(qi)件等(deng)，在众多工业领取获得了较好应用(yong)效果(guo)。比如将(jiang)碳(tan)化硼(peng)器(qi)件用(yong)于(yu)启动滑阀、核电站冷却系统中的(de)轴颈(jing)轴承、热挤(ji)压(ya)模等(deng)；还可作于(yu)陶瓷气体涡轮机当中的(de)耐(nai)腐蚀(shi)和耐(nai)摩(mo)器(qi)件；还可用(yong)于(yu)喷(pen)砂嘴、高压(ya)喷(pen)水(shui)切割中使用(yong)的(de)喷(pen)嘴。碳(tan)化硼(peng)材(cai)料还属于(yu)气浮轴承材(cai)料，具有寿命长、自润滑性(xing)好、材(cai)质优良等(deng)特(te)点。

碳化硼(peng)喷嘴具有寿(shou)命(ming)长(zhang)、相对低成(cheng)本、省(sheng)时、高效等优点(dian)

2、低密度

碳化硼的(de)密度(du)很小，比铝还小。在(zai)均相(xiang)区(8.8%≤w(C)≤20.0%)内，碳化硼的(de)密度(du)与碳质量分数(shu)(w(C))的(de)关系可(ke)由经验公式表示为(wei)：

其中，B₄C的密度为(wei)2.52 g/cm³，B₁₃C₂的密度为(wei)2.488g/cm³，B_10.4C的密度为2.465 g/cm³。

代表(biao)应用(yong):军(jun)工防弹装(zhuang)甲材料

碳化硼的(de)(de)高硬度(du)，低密度(du)使其成为防(fang)(fang)护(hu)材料(liao)(liao)的(de)(de)理想选择，特别是适(shi)合(he)在轻质防(fang)(fang)护(hu)装甲中使用，可有效提高飞机、军(jun)用车辆、舰船以及人体的(de)(de)防(fang)(fang)护(hu)能力。然而，碳化硼较(jiao)低的(de)(de)韧性(xing)严重地影(ying)响了它(ta)的(de)(de)防(fang)(fang)弹性(xing)能，目前(qian)材料(liao)(liao)工(gong)作者(zhe)试图通过(guo)添加(jia)第二相，如(ru)TiB₂、SiC、TiC、WC、Si₃N₄和碳(tan)纤维来进行(xing)增强，并取(qu)得了一定的效(xiao)果。

SA3B™ LEVEL III+型碳化硼小型武器防护插件，是世界上最轻且最昂贵的III+级板之一

3、中子吸收能力

¹⁰B在(zai)天(tian)然硼中占19.8%，富集的硼甚至可达90%，¹⁰B热(re)中子截面高达3.47/10^-24 cm²。仅(jin)次于Gd、Sm、Cd等少数(shu)几种元(yuan)素，吸收能谱宽，在吸收中子后不(bu)产(chan)生强的(de)γ射(she)线(xian)二次辐射(she)，且耐腐蚀、高温稳定性(xing)好、价格低、来源丰富。因此(ci)，在核反应堆控制方面可作为中子吸收剂而得(de)到广泛应用。另外，B₄C也展(zhan)现出了良好(hao)的“辐照自修(xiu)复”性能(neng)，这可能(neng)与B₄C复(fu)杂的晶体结构有(you)关。

代(dai)表应用:核屏蔽和控(kong)制材料

近年来(lai)，B₄C在核(he)工业中越(yue)来越(yue)受到青睐。其主(zhu)要(yao)应用包(bao)括(kuo)：（1）将B₄C粉与(yu)石墨粉混合(he)制成(cheng)硼碳砖，用于反应堆外部(bu)，防(fang)止放射性物质外泄(xie)；（2）将B₄C粉高温压(ya)制成(cheng)制品，做反(fan)应堆控(kong)制棒，控(kong)制反(fan)应堆反(fan)应速度(du)；（3）将B₄C粉高温(wen)压制成制品，做反应堆(dui)的屏蔽材料，吸(xi)收放射性物(wu)质；（4）采(cai)用常(chang)压烧(shao)结工(gong)艺(yi)，将B₄C粉末烧结成块状，用于反应堆的屏(ping)蔽材料(liao)。

碳化硼核反应堆控制棒

4、热电性能

碳化(hua)硼熔点(dian)高达2450℃，沸点(dian)为(wei)3500℃，热膨胀(zhang)系数(shu)为(wei)5.7×10^-6(28～1770℃)。其Seebeek系数(shu)较(jiao)大，热(re)(re)导率较(jiao)低，高(gao)温电(dian)(dian)导率较(jiao)高(gao)和(he)热(re)(re)稳定性(xing)(xing)较(jiao)好，尤其热(re)(re)电(dian)(dian)性(xing)(xing)能随温度升高(gao)而提高(gao)。近(jin)年来人们研究了碳(tan)含量(liang)对碳(tan)化(hua)(hua)硼(peng)结(jie)构和(he)热(re)(re)电(dian)(dian)性(xing)(xing)能的(de)影响，发现通过调整碳(tan)化(hua)(hua)硼(peng)中碳(tan)的(de)质量(liang)分数(shu)，可(ke)获得热(re)(re)电(dian)(dian)性(xing)(xing)超(chao)过P型半导体的(de)碳(tan)化(hua)(hua)硼(peng)。Wood认(ren)为具有(you)最好热(re)(re)电(dian)(dian)性(xing)(xing)能的(de)是B₉C。

代表(biao)应用:温差电偶

B₄C不仅有潜力作(zuo)为(wei)P型高温半导体材料在新型电子领(ling)域得到应(ying)用(yong)，还有望应(ying)用(yong)在高温热电偶和热电能量转换设备领(ling)域。目(mu)前利用(yong)B₄C的(de)(de)热电性，日本(ben)和德国(guo)烧(shao)结已制备出可测2200℃的(de)(de)温(wen)(wen)(wen)差电偶（碳(tan)化(hua)硼/石墨热电偶由石墨管、碳(tan)化(hua)硼棒以(yi)(yi)及二者(zhe)之(zhi)间(jian)的(de)(de)氮化(hua)硼衬(chen)套组成），用(yong)于(yu)高温(wen)(wen)(wen)的(de)(de)测量与控制，其高热电性和稳(wen)定性使(shi)它可以(yi)(yi)长期可靠地使(shi)用(yong)。在惰性气(qi)体和真空中(zhong)，使(shi)用(yong)温(wen)(wen)(wen)度(du)高达2200℃。在600~2200℃之(zhi)间(jian)，电势(shi)差与温(wen)(wen)(wen)度(du)线性关(guan)系(xi)良好。

5、化(hua)学稳定性

碳化(hua)(hua)硼拥有优异的耐腐蚀性能和抗高温氧化(hua)(hua)性能。在常温下(xia)不(bu)与酸(suan)(suan)、碱和大多数(shu)无机化(hua)(hua)合物(wu)反应，仅在氢氟酸(suan)(suan)．硫酸(suan)(suan)、氢氟酸(suan)(suan)一硝酸(suan)(suan)混合物(wu)中有缓(huan)慢的腐蚀。在600℃以(yi)下(xia)基本不(bu)发生氧化(hua)(hua)反应，而温度(du)在600℃以(yi)上时，由(you)于(yu)表(biao)面(mian)氧化(hua)(hua)形成B₂O₃薄膜，阻止进一步氧(yang)化。

代(dai)表应(ying)用:温差电偶(ou)

碳化(hua)硼可作(zuo)为抗氧(yang)(yang)(yang)化(hua)剂添加(jia)于碳质的(de)耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)中(zhong)，不仅(jin)增(zeng)强了(le)耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)的(de)抗热冲击性，同时也使耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)免受金属和炉渣的(de)浸润，防止碳质耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)中(zhong)的(de)碳被氧(yang)(yang)(yang)化(hua)。之所(suo)以(yi)(yi)可以(yi)(yi)起到这个作(zuo)用，是(shi)因(yin)为碳化(hua)硼被氧(yang)(yang)(yang)化(hua)时会与(yu)基底(di)材(cai)料(liao)(liao)发(fa)生相互作(zuo)用，形成液体或(huo)气体相，从而防止碳质耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)中(zhong)的(de)碳不被氧(yang)(yang)(yang)化(hua)，也就延(yan)长(zhang)了(le)含碳耐火(huo)(huo)(huo)材(cai)料(liao)(liao)的(de)使用寿命。

二、碳化硼面临的挑(tiao)战

碳化硼百般(ban)好，却有两(liang)个主要缺(que)点限制了其(qi)进一步的(de)应用：一方面(mian)，传统(tong)制备方法得到的(de)B₄C粉体粒(li)度不均匀、杂质含(han)量(liang)高，尤其(qi)是颗粒(li)粗大(da)、形貌单一，使(shi)B₄C的优异(yi)性能难以充分发挥，严重限(xian)制了其应用；另一方面，B₄C断裂韧性较低，且B₄C原子间(jian)的(de)化学键93.9%为(wei)共价(jia)键，具(ju)有较低的(de)自扩散系数，晶界(jie)移动阻(zu)力较大，不仅(jin)粉(fen)体合成困难(nan)，而(er)且还(hai)难(nan)以烧结(jie)致密。

不过随着材料理论(lun)的(de)日益充实和实验技术(shu)的(de)进步，碳(tan)化(hua)硼越来越受到学(xue)术(shu)界和工业界的(de)重(zhong)视，为碳(tan)化(hua)硼的(de)广(guang)泛应用提供了新(xin)的(de)契机(ji)。

比(bi)如说(shuo)近年已有许多文献报道，通过多种方法都可以得(de)到高(gao)纯度、低维度、粒度均匀的(de)B₄C粉体(ti)，部分成果如下：

ü 元素合成(cheng)法(fa)制(zhi)备的B₄C粉体虽(sui)然产量较(jiao)小，但是一般纯度较(jiao)高；

ü 工业中最常(chang)用的(de)碳(tan)热还原(yuan)法得到的(de)B₄C的最小粒度(du)为(wei)20~30nm；

ü 快(kuai)速节能的自蔓延(yan)高温合成法可(ke)以得到厚度为(wei)10~50nm的片状B₄C；

ü 棒状、纤维状等特殊形貌的(de)B₄C主要通(tong)过化(hua)学气相(xiang)沉积法合(he)成(cheng)；

ü 溶剂(ji)热还(hai)原法(fa)(fa)、VLS生长法(fa)(fa)、粒子束合(he)(he)成法(fa)(fa)等一(yi)些新的合(he)(he)成方(fang)法(fa)(fa)也都获得了纳米(mi)尺寸的B₄C粉体。

元素合成法B₄C产物的微(wei)观形貌：(a)纤(xian)维状纳(na)米；(b)纳(na)米颗粒；(c)纳(na)米线

至于难以(yi)烧(shao)结(jie)这(zhei)个(ge)问题，目(mu)前(qian)业界主(zhu)要利用添加烧结助剂技术用来改(gai)善碳(tan)化(hua)硼(peng)自身(shen)的烧(shao)结行为，使其(qi)成(cheng)为更加(jia)廉价(jia)和(he)实(shi)用性强的碳(tan)化(hua)硼(peng)器具。另外还(hai)可向碳(tan)化(hua)硼(peng)中添加(jia)丰富的碳(tan)化(hua)硅，使其(qi)制作成(cheng)复合材(cai)料(liao)，来提升烧(shao)结提的密度。

碳(tan)化(hua)硅具(ju)有良(liang)好(hao)的(de)(de)物理(li)性能以(yi)及(ji)力(li)学特(te)点，包(bao)含较(jiao)高的(de)(de)比模量、比强(qiang)度(du)、抗腐蚀以(yi)及(ji)抗热冲(chong)击性能等(deng)、密(mi)度(du)低、热膨胀系数低等(deng)特(te)点。经(jing)研究可发现，在碳(tan)化(hua)硅材(cai)料中添加(jia)适量碳(tan)化(hua)硼就会(hui)获(huo)取到密(mi)度(du)更为紧致的(de)(de)烧(shao)结体(ti)，由(you)此可见(jian)碳(tan)化(hua)硅和碳(tan)化(hua)硼具(ju)有相互促(cu)进和提升作用，是一对非常好(hao)的(de)(de)搭档。

资料来源：

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