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碳化硼的性能特点及其应用简析
2017年07月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:5346
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1.晶体结构

碳化硼具有典型的二十面体硼化物的复杂晶体结构。斜方六面体结构是碳化硼主要的晶体结构,六方菱形为主要的晶格。其内含二十面体的原子团簇,共价键键接这些原子团簇,且三原子链接于斜方六面体的对角线上。B4C结构中广为认同的是一个B11C二十面体和一条C-B-C的原子链组成的结构。B、C两原子在二十面体内及原子链上互相替代,故碳化硼在碳元素质量分数8%-20%之间存在许多稳定的同分异构体(如B13C 、B12C3B4C 等)。

 

 

2.性能

(1)碳化硼最重要的性能在于其超常的硬度(莫氏硬度为9.3),硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,是最理想的高温耐磨材料;

(2)碳化硼密度很小,是陶瓷材料中最轻的,可用于航天航空领域;

(3)碳化硼的中子吸收能力很强,相对于纯元素B和Cd来说,造价低、耐腐蚀性好、热稳定性好,广泛用于核工业,碳化硼中子吸收能力还可以通过添加B元素而进一步改善;

(4)碳化硼的化学性能优良,在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应,仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有缓慢的腐蚀,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、低膨胀系数和良好的氧气吸收能力等优点;

6)碳化硼还是p型半导体材料,即使在很高的温度下也可保持半导体特性。

 

3.应用

(1)喷嘴材料:碳化硼的超高硬度和优异的耐磨性能,使它成为重要的喷嘴材料。碳化硼喷嘴具有寿命长、相对低成本、省时、高效等优点。


 

(2)中子吸收和防辐射材料:B元素具有高达600barn的中子吸收截面,是核反应堆中减速元件―控制棒或核反应堆防辐射部件的主要选用材料;


 

3)复合装甲材料:利用其轻质、超硬和高模量等特性,用作轻型防弹衣和防弹装甲材料。采用碳化硼制作的防弹衣,比同型钢质防弹衣要轻50%以上。碳化硼同时还是陆上装甲车辆、武装直升机以及民航客机的重要防弹装甲材料。  


 

(4)半导体工业元件和热电元件:碳化硼陶瓷具有半导体特性和较好的热导性能,可用作高温半导体元器件,也可以用作半导体工业中的气体分布盘、聚焦环、微波或红外窗口、DC插头等。B4C与C结合可用作高温热电偶元件,使用温度高达2300℃,同时也可用作抗辐射热电元件;                           

(5)磨料:B4C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。

 

 

 

(6)其他应用:如在耐火材料领域,碳化硼是作为抗氧化剂,主要用在低碳镁碳砖和浇注料中。

 

 

 

4.结语

碳化硼因其优异的性能,在航天航空、国防、核能和耐磨技术等领域扮演着重要的角色。其制备方法有碳热还原法,自蔓延热还原法,机械化学法,直接合成法,溶胶凝胶法等。目前阻碍碳化硼应用推广的主要问题在于碳化硼的制备成本较高,而碳化硼自身又存在过高的烧结温度、较差的抗氧化能力等问题。

 

粉体圈作者:小新

 


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