深化碳化硼的结构特性及应用

 

碳化硼，别名黑钻石，是一种无机物，化学式为B4C，通常为灰黑色微粉。是已知zui坚硬的三种材料之一（仅次于金刚石和立方相氮化硼），用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的莫氏硬度约为9.5。黑色有光泽晶体。硬度比工业金刚石低，但比碳化硅高。与大多数陶器相比，易碎性较低。具有大的热能中子俘获截面。抗化学作用强。不受热氟化氢和硝酸的侵蚀。溶于熔化的碱中，不溶于水和酸。相对密度2.5左右，熔点2350℃。沸点3500℃。 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，在某些地方可以取代价格昂贵的金刚石、常见在磨削、研磨、钻孔等方面的应用。

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碳化硼（VK-BC100）的基本性质

01低密度

B4C的密度较小，为2.52g/cm3。在匀相区内，密度和碳含量的关系可有经验公式(9)表示为：ρ=2.4224+0.00489C%(9)由于碳化硼的低密度，在得到较高的致密度的情况下，其性能可以达到碳化硼的标准高强、高硬度等优良的性能，因而可以作为轻质装甲，以减轻坦克等车体重量，节约能耗。

 

02硬度与耐磨性

B4C（VK-BC100）具有超硬度以及极高的耐磨性，在匀相区内，B4C的维氏硬度随着C含量的增加而增加。当碳含量为10.6%时，硬度为29.1GPa;当碳含量为20%时，硬度21可达37.7GPa。在高温时其硬度仍然很高(>30GPa)。硬度随温度变化可由经验公式(10)表示：H=H0-exp(-aT)(10)式中：H0—为常温时硬度;T—为温度;a—为与含碳有关的常数。此公式适用于20~1700℃。需要指出的是，B4C是世界上最硬的材料之一，仅次于金刚石和立方BN。B4C的耐磨性随着温度的升高而增加，在20~1400℃范围内，摩擦系数随着温度升高而下降，在1400℃左右降到0.05，摩擦率也不断降低。B4C以其超硬度和摩擦特性已被用作喷沙嘴。金刚石的喷嘴以及水利喷射切割器的喷嘴，等耐磨材料;在军事上被广泛应用于坦克、飞机等的装甲材料;随着技术的进步，高精度研磨的需求增加，B4C日益显示其优越性，近年来，其用量一直在不断增加，同时，B4C还可以用来研磨硬质合金、陶瓷及宝石硬质材料，摩擦用游离磨料或超声波加工这些超硬材料用的磨料，但是同欧美相比我国在这方面用量还很少。

 

03热膨胀系数及比热容

 

碳化硼（VK-BC100）熔点为2450℃，沸点为3000℃，热膨胀系数为5.73×10-6/℃(28~1770℃)，比热容计算公式(11)：C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2(11)

 

04化学稳定性碳化硼（VK-BC100）是zui稳定的化合物之一

在600℃以下不易发生氧化反应[41];而温度在600℃以上时，由于表面氧化成B2O3薄膜，阻止了B4C的进一步被氧化。所以B4C现在被用作耐火材料中的抗氧化剂。常温下B4C一般不与化学试剂反应;800℃以上时B4C与Br形成三溴化合物;高温下B4C与金属氧化物反应生成金属硼化物和一氧化碳，所生成的FeB薄膜具有很高的显微硬度(HV=24GPa)和抗磨损度。所以B4C可以被用于钢铁及合金的硼化。

 

碳化硼（VK-BC100）的性能优势

1、碳化硼zui重要的性能在于其超凡的硬度(莫氏硬度为9.3)，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，是理想的高温耐磨资料；

2、碳化硼密度很小，是陶瓷资料中最轻的，可用于航天航空范畴；

 

3、碳化硼的中子吸收才干很强，相关于纯元素B和Cd来说，造价低、耐腐蚀性好、热稳定性好，普遍用于核工业，碳化硼中子吸收才干还能够经过添加B元素而进一步改善；

4、碳化硼的化学性能优秀，在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反响，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有迟缓的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一；

5、碳化硼还具有高熔点、高弹性模量、低收缩系数和良好的氧气吸收才干等优点；

6、碳化硼还是p型半导体资料，即便在很高的温度下也可坚持半导体特性。

 

碳化硼（VK-BC100）的应用

 

01研磨材料

由于碳化硼在很久以前它已经作为一种粗砂研磨材料。由于它本身熔点高，不易铸成人工制品，但是通过高温熔炼粉末，它可以加工成简单的形状。用于硬质合金、宝石等硬质材料的磨削、研磨、钻孔及抛光。

 

02涂层涂料材料

碳化硼还可以作为军舰和直升机的陶瓷涂层，其重量轻并且有抵抗穿甲弹穿透热压涂层成整体防层的能力。

 

03喷嘴特种陶瓷

在军火工业中可用作制造枪炮喷嘴。碳化硼，极硬又耐磨，与酸碱不起反应，耐高/低温,耐高压，密度≥2.46g/cm3;显微硬度≥3500kgf/mm2，抗弯强度≥400MPa，熔点为2450℃。因为碳化硼喷嘴具有的以上耐磨高硬度的特点,碳化硼喷砂嘴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。

 

04控制核裂变

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他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。1986年切尔诺贝利核事故时，俄罗斯投下了近2000吨碳化硼和沙子后，最终使反应堆中的链式反应停止。

05其他

碳化硼还用于金属硼化物的制造以及冶炼硼钠、硼合金和特殊焊接等。

深化碳化硼的结构特性及应用
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