浅析碳化硼陶瓷的用途

  碳化硼别名黑钻石，分子式为B4C，通常为灰黑色微粉。是已知最坚硬的三种材料之一(其他两种为金刚石、立方相氮化硼)，用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的摩氏硬度为9.3。它在19世纪作为金属硼化物研究的副产品被发现，直到1930年代才被科学地研究。碳化硼可由电炉中用碳还原三氧化二硼制得。碳化硼可以吸收大量的中子而不会形成任何放射性同位素，因此它在核能发电场里它是很理想的中子吸收剂，而中子吸收剂主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反应炉场里主要是做成可控制的棒状，但有的时候会因为要增加表面积而把它制成粉末状。
  碳化硼因具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点。在耐磨材料、陶瓷增强相，尤其在轻质装甲，反应堆中子吸收剂等方面使用。此外，和金刚石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加广泛，在某些地方可以取得价格昂贵的金刚石、常见在磨削、研磨、钻孔等方面的应用。

碳化硼的应用
1 磨料
 B₄C具有仅次于金刚石和CBN的高硬度，使其可作为一种很好的耐磨材料或减磨材料，用碳化硼取代金刚石磨料，用于硬质合金与工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料，能够显著降低研磨过程的成本。还可以将B4C涂层涂覆在基体上，形成一层保护膜，提高基体的抗磨损性能。如在变速箱的齿轮表面涂覆B4C涂层可有效地提高齿轮的抗磨损性能，提高齿轮寿命。

2 防弹装甲领域
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。

3 核工业材料
碳化硼具有较高的中子吸收能力，其中子俘获截面高，俘获能谱宽，B10的热截面高达3 47×10-24cm2，仅次于Gd、Sm、Cd等少数几种元素，但碳化硼的造价低，不产生放射性同位素，二次射线能量低，而且耐腐蚀、热稳定性好，因此在核工业中越来越受到青睐。其主要应用包括：（1）将B104C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B104C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B104C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B104C粉末烧结成块状，用于反应堆的屏蔽材料。

4 温差电偶
利用B4C的热电性，日本和德国烧结制备出可测2200℃的温差电偶，用于高温的测量与控制。它的高热电性和稳定性使其可长期可靠地使用。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。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 用于其它工程陶瓷材料：
碳化硼制作喷砂机用喷嘴、高压水切割机喷嘴、密封环、陶瓷工模具等。特性：碳化硼喷嘴具有耐磨高硬度的特点将逐渐取代已知的硬质合金（钨钢）和碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等材质的喷砂嘴。另外，碳化硼在复合陶瓷领域的应用：碳化硼是共价键很强的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移动阻力很大，较难获得致密的烧结体，除一些特殊的场合，如微晶碳化硼气体动压轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的碳化硼块以外，通常用添加烧结助剂的方法改善碳化硼的烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制品。更为值得注意的是，B4C—SiC复合陶瓷在降低碳化硼陶瓷烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异的物理机械性能。B4C—SiC陶瓷被认为是一种具有广泛应用前景的高温耐蚀、耐磨材料，已在工业喷嘴、泵的密封以及热挤压模等领域获得应用。

近几十年来，由于科学技术的迅猛发展，尤其是电子技术、空间技术、计算机技术的飞速发展，迫切需要有特殊性能的材料。碳化硼因具有很多优良的性能而成为特种陶瓷家族中的重要一员。目前有关碳化硼粉末的制备，碳化硼陶瓷材料的烧结的很多难题都已经迎刃而解了。在未来的材料领域，碳化硼一定能以其优异的性能而占据重要的地位。

6 碳化硼的电性能应用：
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衬套组成。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。

7 碳化硼作为化学原料的应用：
碳化硼粉受卤素活化，可用作钢和其他合金的硼化剂在钢表面渗硼，以生成硼化铁薄层增强材料的强度和耐磨性。碳化硼还可用作一些金属基摩擦材料的非金属添加剂。在还原—化合法制取硼化物粉末时，碳化硼作为硼源，可制得TiB2、ZrB2、CrB2等粉末，称为制取粉末的“碳化硼法”。

8 碳化硼在蓝宝石晶片（LED）中的应用：
近年来国家对于LED产业的大力扶持和推动，使得LED产业发展形势趋好，因而给生产和加工蓝宝石晶体的企业带来了很大的商机。由于蓝宝石晶体的强度高、硬度大（莫氏硬度9）给加工企业带来了很大的困难。从材料和研磨学界的角度来看，加工和研磨蓝宝石晶体最好的材料是人造金刚石、碳化硼、二氧化硅。由于人造金刚石硬度过大（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。而二氧化硅硬度不够（莫氏硬度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9.3）成为加工和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和蓝宝石基LED外延片背减薄抛光方面有着卓越的表现。国家一些重点大学也针对碳化硼在研磨蓝宝石晶体方面有主要研究。总之，随着LED产业的快速发展，碳化硼也将会迅速崛起。