深化碳化硼的結構特性及應用

碳化硼，別名黑鉆石，是一種無機物，化學式為B4C，通常為灰黑色微粉。是已知zui堅硬的三種材料之一（僅次于金剛石和立方相氮化硼），用于坦克車的裝甲、避彈衣和很多工業應用品中。它的莫氏硬度約為9.5。黑色有光澤晶體。硬度比工業金剛石低，但比碳化硅高。與大多數陶器相比，易碎性較低。具有大的熱能中子俘獲截面。抗化學作用強。不受熱氟化氫和硝酸的侵蝕。溶于熔化的堿中，不溶于水和酸。相對密度2.5左右，熔點2350℃。沸點3500℃。 因具有密度低、強度大、高溫穩定性以及化學穩定性好的特點。在耐磨材料、陶瓷增強相，尤其在輕質裝甲，反應堆中子吸收劑等方面使用。此外，和金剛石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加廣泛，在某些地方可以取代價格昂貴的金剛石、常見在磨削、研磨、鉆孔等方面的應用。

晶瑞新材料 18620162680

碳化硼（VK-BC100）的基本性質

01低密度

B4C的密度較小，為2.52g/cm3。在勻相區內，密度和碳含量的關系可有經驗公式(9)表示為：ρ=2.4224+0.00489C%(9)由于碳化硼的低密度，在得到較高的致密度的情況下，其性能可以達到碳化硼的標準高強、高硬度等優良的性能，因而可以作為輕質裝甲，以減輕坦克等車體重量，節約能耗。

02硬度與耐磨性

B4C（VK-BC100）具有超硬度以及極高的耐磨性，在勻相區內，B4C的維氏硬度隨著C含量的增加而增加。當碳含量為10.6%時，硬度為29.1GPa;當碳含量為20%時，硬度21可達37.7GPa。在高溫時其硬度仍然很高(>30GPa)。硬度隨溫度變化可由經驗公式(10)表示：H=H0-exp(-aT)(10)式中：H0—為常溫時硬度;T—為溫度;a—為與含碳有關的常數。此公式適用于20~1700℃。需要指出的是，B4C是世界上最硬的材料之一，僅次于金剛石和立方BN。B4C的耐磨性隨著溫度的升高而增加，在20~1400℃范圍內，摩擦系數隨著溫度升高而下降，在1400℃左右降到0.05，摩擦率也不斷降低。B4C以其超硬度和摩擦特性已被用作噴沙嘴。金剛石的噴嘴以及水利噴射切割器的噴嘴，等耐磨材料;在軍事上被廣泛應用于坦克、飛機等的裝甲材料;隨著技術的進步，高精度研磨的需求增加，B4C日益顯示其優越性，近年來，其用量一直在不斷增加，同時，B4C還可以用來研磨硬質合金、陶瓷及寶石硬質材料，摩擦用游離磨料或超聲波加工這些超硬材料用的磨料，但是同歐美相比我國在這方面用量還很少。

03熱膨脹系數及比熱容

碳化硼（VK-BC100）熔點為2450℃，沸點為3000℃，熱膨脹系數為5.73×10-6/℃(28~1770℃)，比熱容計算公式(11)：C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2(11)

04化學穩定性碳化硼（VK-BC100）是zui穩定的化合物之一

在600℃以下不易發生氧化反應[41];而溫度在600℃以上時，由于表面氧化成B2O3薄膜，阻止了B4C的進一步被氧化。所以B4C現在被用作耐火材料中的抗氧化劑。常溫下B4C一般不與化學試劑反應;800℃以上時B4C與Br形成三溴化合物;高溫下B4C與金屬氧化物反應生成金屬硼化物和一氧化碳，所生成的FeB薄膜具有很高的顯微硬度(HV=24GPa)和抗磨損度。所以B4C可以被用于鋼鐵及合金的硼化。

碳化硼（VK-BC100）的性能優勢

1、碳化硼zui重要的性能在于其超凡的硬度(莫氏硬度為9.3)，硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，是理想的高溫耐磨資料；

2、碳化硼密度很小，是陶瓷資料中最輕的，可用于航天航空范疇；

3、碳化硼的中子吸收才干很強，相關于純元素B和Cd來說，造價低、耐腐蝕性好、熱穩定性好，普遍用于核工業，碳化硼中子吸收才干還能夠經過添加B元素而進一步改善；

4、碳化硼的化學性能優秀，在常溫下不與酸、堿和大多數無機化合物反響，僅在氫氟酸一硫酸、氫氟酸一硝酸混合物中有遲緩的腐蝕，是化學性質最穩定的化合物之一；

5、碳化硼還具有高熔點、高彈性模量、低收縮系數和良好的氧氣吸收才干等優點；

6、碳化硼還是p型半導體資料，即便在很高的溫度下也可堅持半導體特性。

碳化硼（VK-BC100）的應用

01研磨材料

由于碳化硼在很久以前它已經作為一種粗砂研磨材料。由于它本身熔點高，不易鑄成人工制品，但是通過高溫熔煉粉末，它可以加工成簡單的形狀。用于硬質合金、寶石等硬質材料的磨削、研磨、鉆孔及拋光。

02涂層涂料材料

碳化硼還可以作為軍艦和直升機的陶瓷涂層，其重量輕并且有抵抗穿甲彈穿透熱壓涂層成整體防層的能力。

03噴嘴特種陶瓷

在軍火工業中可用作制造槍炮噴嘴。碳化硼，極硬又耐磨，與酸堿不起反應，耐高/低溫,耐高壓，密度≥2.46g/cm3;顯微硬度≥3500kgf/mm2，抗彎強度≥400MPa，熔點為2450℃。因為碳化硼噴嘴具有的以上耐磨高硬度的特點,碳化硼噴砂嘴將逐漸取代已知的硬質合金/鎢鋼和碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等材質的噴砂嘴。

04控制核裂變

碳化硼可以吸收大量的中子而不會形成任何放射性同位素，因此它在核能發電場里他是很理想的中子吸收劑，而中子吸收劑主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反應爐場里主要是做成可控制的棒狀，但有的時候會因為要增加表面積而把它制成粉末狀。1986年切爾諾貝利核事故時，俄羅斯投下了近2000噸碳化硼和沙子后，最終使反應堆中的鏈式反應停止。

05其他

碳化硼還用于金屬硼化物的制造以及冶煉硼鈉、硼合金和特殊焊接等。