淺析碳化硼陶瓷的用途

  碳化硼別名黑鉆石，分子式為B4C，通常為灰黑色微粉。是已知最堅(jiān)硬的三種材料之一(其他兩種為金剛石、立方相氮化硼)，用于坦克車(chē)的裝甲、避彈衣和很多工業(yè)應(yīng)用品中。它的摩氏硬度為9.3。它在19世紀(jì)作為金屬硼化物研究的副產(chǎn)品被發(fā)現(xiàn)，直到1930年代才被科學(xué)地研究。碳化硼可由電爐中用碳還原三氧化二硼制得。碳化硼可以吸收大量的中子而不會(huì)形成任何放射性同位素，因此它在核能發(fā)電場(chǎng)里它是很理想的中子吸收劑，而中子吸收劑主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反應(yīng)爐場(chǎng)里主要是做成可控制的棒狀，但有的時(shí)候會(huì)因?yàn)橐黾颖砻娣e而把它制成粉末狀。
  碳化硼因具有密度低、強(qiáng)度大、高溫穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在耐磨材料、陶瓷增強(qiáng)相，尤其在輕質(zhì)裝甲，反應(yīng)堆中子吸收劑等方面使用。此外，和金剛石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加廣泛，在某些地方可以取得價(jià)格昂貴的金剛石、常見(jiàn)在磨削、研磨、鉆孔等方面的應(yīng)用。

碳化硼的應(yīng)用
1 磨料
 B₄C具有僅次于金剛石和CBN的高硬度，使其可作為一種很好的耐磨材料或減磨材料，用碳化硼取代金剛石磨料，用于硬質(zhì)合金與工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過(guò)程的研磨材料，能夠顯著降低研磨過(guò)程的成本。還可以將B4C涂層涂覆在基體上，形成一層保護(hù)膜，提高基體的抗磨損性能。如在變速箱的齒輪表面涂覆B4C涂層可有效地提高齒輪的抗磨損性能，提高齒輪壽命。

2 防彈裝甲領(lǐng)域
碳化硼的高硬度，低密度使其成為防護(hù)材料的理想選擇，特別是適合在輕質(zhì)防護(hù)裝甲中使用，可有效提高飛機(jī)、軍用車(chē)輛、艦船以及人體的防護(hù)能力。然而，碳化硼較低的韌性嚴(yán)重地影響了它的防彈性能，目前材料工作者試圖通過(guò)添加第二相，如TiB2、SiC、TiC、WC、Si3N4和碳纖維來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)，并取得了一定的效果。

3 核工業(yè)材料
碳化硼具有較高的中子吸收能力，其中子俘獲截面高，俘獲能譜寬，B10的熱截面高達(dá)3 47×10-24cm2，僅次于Gd、Sm、Cd等少數(shù)幾種元素，但碳化硼的造價(jià)低，不產(chǎn)生放射性同位素，二次射線能量低，而且耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好，因此在核工業(yè)中越來(lái)越受到青睞。其主要應(yīng)用包括：（1）將B104C粉與石墨粉混合制成硼碳磚，用于反應(yīng)堆外部，防止放射性物質(zhì)外泄；（2）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應(yīng)堆控制棒，控制反應(yīng)堆反應(yīng)速度；（3）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應(yīng)堆的屏蔽材料，吸收放射性物質(zhì)；（4）采用常壓燒結(jié)工藝，將B104C粉末燒結(jié)成塊狀，用于反應(yīng)堆的屏蔽材料。

4 溫差電偶
利用B4C的熱電性，日本和德國(guó)燒結(jié)制備出可測(cè)2200℃的溫差電偶，用于高溫的測(cè)量與控制。它的高熱電性和穩(wěn)定性使其可長(zhǎng)期可靠地使用。碳化硼/石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200 ℃。在600~2200℃之間，電勢(shì)差與溫度線性關(guān)系良好。

5 用于其它工程陶瓷材料：
碳化硼制作噴砂機(jī)用噴嘴、高壓水切割機(jī)噴嘴、密封環(huán)、陶瓷工模具等。特性：碳化硼噴嘴具有耐磨高硬度的特點(diǎn)將逐漸取代已知的硬質(zhì)合金（鎢鋼）和碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等材質(zhì)的噴砂嘴。另外，碳化硼在復(fù)合陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用：碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移動(dòng)阻力很大，較難獲得致密的燒結(jié)體，除一些特殊的場(chǎng)合，如微晶碳化硼氣體動(dòng)壓軸承材料、原子能反應(yīng)堆中用作中子吸收材料的碳化硼塊以外，通常用添加燒結(jié)助劑的方法改善碳化硼的燒結(jié)行為，獲得更為廉價(jià)、實(shí)用的碳化硼制品。更為值得注意的是，B4C—SiC復(fù)合陶瓷在降低碳化硼陶瓷燒結(jié)條件的同時(shí)，能較好地保持碳化硼陶瓷優(yōu)異的物理機(jī)械性能。B4C—SiC陶瓷被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的高溫耐蝕、耐磨材料，已在工業(yè)噴嘴、泵的密封以及熱擠壓模等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

近幾十年來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是電子技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切需要有特殊性能的材料。碳化硼因具有很多優(yōu)良的性能而成為特種陶瓷家族中的重要一員。目前有關(guān)碳化硼粉末的制備，碳化硼陶瓷材料的燒結(jié)的很多難題都已經(jīng)迎刃而解了。在未來(lái)的材料領(lǐng)域，碳化硼一定能以其優(yōu)異的性能而占據(jù)重要的地位。

6 碳化硼的電性能應(yīng)用：
碳化硼—石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及兩者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200℃。在600~2200℃之間，電勢(shì)差與溫度線性關(guān)系良好。

7 碳化硼作為化學(xué)原料的應(yīng)用：
碳化硼粉受鹵素活化，可用作鋼和其他合金的硼化劑在鋼表面滲硼，以生成硼化鐵薄層增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐磨性。碳化硼還可用作一些金屬基摩擦材料的非金屬添加劑。在還原—化合法制取硼化物粉末時(shí)，碳化硼作為硼源，可制得TiB2、ZrB2、CrB2等粉末，稱為制取粉末的“碳化硼法”。

8 碳化硼在藍(lán)寶石晶片（LED）中的應(yīng)用：
近年來(lái)國(guó)家對(duì)于LED產(chǎn)業(yè)的大力扶持和推動(dòng)，使得LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)趨好，因而給生產(chǎn)和加工藍(lán)寶石晶體的企業(yè)帶來(lái)了很大的商機(jī)。由于藍(lán)寶石晶體的強(qiáng)度高、硬度大（莫氏硬度9）給加工企業(yè)帶來(lái)了很大的困難。從材料和研磨學(xué)界的角度來(lái)看，加工和研磨藍(lán)寶石晶體最好的材料是人造金剛石、碳化硼、二氧化硅。由于人造金剛石硬度過(guò)大（莫氏硬度10）在研磨藍(lán)寶石晶片時(shí)會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生劃傷，影響晶片的透光度，并且價(jià)格昂貴。而二氧化硅硬度不夠（莫氏硬度7）、磨削力差在研磨工程中費(fèi)時(shí)、費(fèi)工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成為加工和研磨藍(lán)寶石晶體最理想的材料。碳化硼磨料在藍(lán)寶石晶片的雙面研磨和藍(lán)寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現(xiàn)。國(guó)家一些重點(diǎn)大學(xué)也針對(duì)碳化硼在研磨藍(lán)寶石晶體方面有主要研究。總之，隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳化硼也將會(huì)迅速崛起。