-
邹小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
碳化硼是非氧化物陶瓷中的非常重要的一个品种。它在1858年科学家研究金属硼化的合成时被首次发现，在1883年时首次被人工合成，并将其写作B3C，之后在1934年时化学计量式被正式修定为B4C。
显微镜下的碳化硼颗粒
碳化硼最大的特色就是硬度极高，位于最硬材料的行列内，仅次于金刚石和立方氮化硼。除此之外，还具有熔点高(2450℃)、弹性模量高、密度小(2.52 g/cm3)、热稳定性好、热中子吸收横截面(6×10-22·cm-2)高等优点。这些独特的性质，使得碳化硼成为很多工程应用领域中的重要候选材料，在耐火材料、研磨介质、耐磨涂层、反应堆控制棒和屏蔽棒、轻质盔甲等诸多领域都有着不错的表现。
一、碳化硼的性能与应用
一种材料到底要怎么用，往往和它的性能息息相关，碳化硼也不例外，具体如下：
1、高的硬度和耐磨性
碳化硼的硬度之高，使它拥有“黑钻石”之称。在均相区内，随着碳的质量分数增加，碳化硼的维氏硬度也增加。当w(C)从10.6%增加到20%时，硬度从29.1 GPa增加到37.7 GPa。值得关注的是，碳化硼在高温时仍然拥有很高的硬度(>30 GPa)，因此是非常理想的高温耐磨材料。另外，碳化硼的耐磨性能也仅次于金刚石。金刚石的抗磨性能测量值为0.613，碳化硼的抗磨性能测量值为0.400~0.422，而碳化硅的抗磨性能测量值则是0.314。
代表应用①:研磨材料
凭借优秀的硬度和耐磨性，碳化硼常被用作磨料、耐磨耐腐蚀陶瓷器件和汽车零部件等。碳化硼可用作硬质合金、工程陶瓷及蓝宝石等硬质材料的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料。近年来，逐渐用碳化硼逐渐代替之前的金刚石来研磨蓝宝石晶片，可大幅度降低研磨成本。据报道，近年来碳化硼磨料的需求量随着LED等光电产业的发展而激增，仅是2017年碳化硼磨料市场规模就已接近8430吨。
蓝宝石材料衬底的生产过程需要大量的碳化硼磨料
代表应用②:结构材料
利用粉末冶金技术制作耐磨和耐腐蚀性的碳化硼器件等，在众多工业领取获得了较好应用效果。比如将碳化硼器件用于启动滑阀、核电站冷却系统中的轴颈轴承、热挤压模等；还可作于陶瓷气体涡轮机当中的耐腐蚀和耐摩器件；还可用于喷砂嘴、高压喷水切割中使用的喷嘴。碳化硼材料还属于气浮轴承材料，具有寿命长、自润滑性好、材质优良等特点。
碳化硼喷嘴具有寿命长、相对低成本、省时、高效等优点
2、低密度
碳化硼的密度很小，比铝还小。在均相区(8.8%≤w(C)≤20.0%)内，碳化硼的密度与碳质量分数(w(C))的关系可由经验公式表示为：
其中，B4C的密度为2.52 g/cm3，B13C2的密度为2.488g/cm3，B10.4C的密度为2.465 g/cm3。
代表应用:军工防弹装甲材料
碳化硼的高硬度，低密度使其成为防护材料的理想选择，特别是适合在轻质防护装甲中使用，可有效提高飞机、军用车辆、舰船以及人体的防护能力。然而，碳化硼较低的韧性严重地影响了它的防弹性能，目前材料工作者试图通过添加第二相，如TiB2、SiC、TiC、WC、Si3N4和碳纤维来进行增强，并取得了一定的效果。
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在天然硼中占19.8%，富集的硼甚至可达90%，10B热中子截面高达3.47/10-24 cm2。仅次于Gd、Sm、Cd等少数几种元素，吸收能谱宽，在吸收中子后不产生强的γ射线二次辐射，且耐腐蚀、高温稳定性好、价格低、来源丰富。因此，在核反应堆控制方面可作为中子吸收剂而得到广泛应用。另外，B4C也展现出了良好的“辐照自修复”性能，这可能与B4C复杂的晶体结构有关。
代表应用:核屏蔽和控制材料
近年来，B4C在核工业中越来越受到青睐。其主要应用包括：（1）将B4C粉与石墨粉混合制成硼碳砖，用于反应堆外部，防止放射性物质外泄；（2）将B4C粉高温压制成制品，做反应堆控制棒，控制反应堆反应速度；（3）将B4C粉高温压制成制品，做反应堆的屏蔽材料，吸收放射性物质；（4）采用常压烧结工艺，将B4C粉末烧结成块状，用于反应堆的屏蔽材料。
碳化硼核反应堆控制棒
4、热电性能
碳化硼熔点高达2450℃，沸点为3500℃，热膨胀系数为5.7×10-6(28～1770℃)。其Seebeek系数较大，热导率较低，高温电导率较高和热稳定性较好，尤其热电性能随温度升高而提高。近年来人们研究了碳含量对碳化硼结构和热电性能的影响，发现通过调整碳化硼中碳的质量分数，可获得热电性超过P型半导体的碳化硼。Wood认为具有最好热电性能的是B9C。
代表应用:温差电偶
B4C不仅有潜力作为P型高温半导体材料在新型电子领域得到应用，还有望应用在高温热电偶和热电能量转换设备领域。目前利用B4C的热电性，日本和德国烧结已制备出可测2200℃的温差电偶（碳化硼/石墨热电偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之间的氮化硼衬套组成），用于高温的测量与控制，其高热电性和稳定性使它可以长期可靠地使用。在惰性气体和真空中，使用温度高达2200℃。在600~2200℃之间，电势差与温度线性关系良好。
5、化学稳定性
碳化硼拥有优异的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能。在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应，仅在氢氟酸．硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有缓慢的腐蚀。在600℃以下基本不发生氧化反应，而温度在600℃以上时，由于表面氧化形成B2O3薄膜，阻止进一步氧化。
代表应用:温差电偶
碳化硼可作为抗氧化剂添加于碳质的耐火材料中，不仅增强了耐火材料的抗热冲击性，同时也使耐火材料免受金属和炉渣的浸润，防止碳质耐火材料中的碳被氧化。之所以可以起到这个作用，是因为碳化硼被氧化时会与基底材料发生相互作用，形成液体或气体相，从而防止碳质耐火材料中的碳不被氧化，也就延长了含碳耐火材料的使用寿命。
二、碳化硼面临的挑战
碳化硼百般好，却有两个主要缺点限制了其进一步的应用：一方面，传统制备方法得到的B4C粉体粒度不均匀、杂质含量高，尤其是颗粒粗大、形貌单一，使B4C的优异性能难以充分发挥，严重限制了其应用；另一方面，B4C断裂韧性较低，且B4C原子间的化学键93.9%为共价键，具有较低的自扩散系数，晶界移动阻力较大，不仅粉体合成困难，而且还难以烧结致密。
不过随着材料理论的日益充实和实验技术的进步，碳化硼越来越受到学术界和工业界的重视，为碳化硼的广泛应用提供了新的契机。
比如说近年已有许多文献报道，通过多种方法都可以得到高纯度、低维度、粒度均匀的B4C粉体，部分成果如下：
ü 元素合成法制备的B4C粉体虽然产量较小，但是一般纯度较高；
ü 工业中最常用的碳热还原法得到的B4C的最小粒度为20~30nm；
ü 快速节能的自蔓延高温合成法可以得到厚度为10~50nm的片状B4C；
ü 棒状、纤维状等特殊形貌的B4C主要通过化学气相沉积法合成；
ü 溶剂热还原法、VLS生长法、粒子束合成法等一些新的合成方法也都获得了纳米尺寸的B4C粉体。
元素合成法B4C产物的微观形貌：(a)纤维状纳米；(b)纳米颗粒；(c)纳米线
至于难以烧结这个问题，目前业界主要利用添加烧结助剂技术用来改善碳化硼自身的烧结行为，使其成为更加廉价和实用性强的碳化硼器具。另外还可向碳化硼中添加丰富的碳化硅，使其制作成复合材料，来提升烧结提的密度。
碳化硅具有良好的物理性能以及力学特点，包含较高的比模量、比强度、抗腐蚀以及抗热冲击性能等、密度低、热膨胀系数低等特点。经研究可发现，在碳化硅材料中添加适量碳化硼就会获取到密度更为紧致的烧结体，由此可见碳化硅和碳化硼具有相互促进和提升作用，是一对非常好的搭档。
资料来源：
李盼. 碳化硼水选废料制备碳化硼制品的研究[D]. 辽宁:东北大学,2017.
龙亮,刘炳刚,罗昊,等. 碳化硼的研究进展[J]. 材料导报,2019,33(z1):184-190.
王基峰. 碳化硼粉体制备技术及应用[J]. 中外企业家,2021(11):205-206. DOI:10.12231/j.issn.1000-8772.2021.11.205.
种小川,肖国庆,丁冬海,等. 碳化硼粉体合成方法的研究进展[J]. 材料导报,2019,33(15):2524-2531. DOI:10.11896/cldb.18070092.
刘虎. LED衬底研磨废液中碳化硼循环再利用方法研究及样机开发[D]. 重庆:重庆大学,2020.
粉体圈 NANA整理
本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。
