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2021-06-13
碳化硼的主要应用领域
2020-04-28 09:57:41

碳化硼(boron carbide ),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。

3 碳化硼的应用
3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

3.5 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。

3.6 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。

3.7 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”。

3.8 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。

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