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)，用于坦克車的裝甲、避彈衣和很多工業應用品中。它的摩氏硬度為9.3。它在19世紀作為金屬硼化物研究的副產品被發現，直到1930年代才被科學地研究。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形成任何放射性同位素，因此它在核能發電場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。碳化硼在核反應爐場里主要是做成可控制的棒狀，但有的時候會因為要增加表面積而把它制成粉末狀。
  碳化硼因具有密度低、強度大、高溫穩定性以及化學穩定性好的特點。在耐磨材料、陶瓷增強相，尤其在輕質裝甲，反應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格昂貴的金剛石、常見在磨削、研磨、鉆孔等方面的應用。

碳化硼的應用
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，用于硬質合金與工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料，能夠顯著降低研磨過程的成本。還可以將B4C涂層涂覆在基體上，形成一層保護膜，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 防彈裝甲領域
碳化硼的高硬度，低密度使其成為防護材料的理想選擇，特別是適合在輕質防護裝甲中使用，可有效提高飛機、軍用車輛、艦船以及人體的防護能力。然而，碳化硼較低的韌性嚴重地影響了它的防彈性能，目前材料工作者試圖通過添加第二相，如TiB2、SiC、TiC、WC、Si3N4和碳纖維來進行增強，并取得了一定的效果。

3 核工業材料
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3 47×10-24cm2，僅次于Gd、Sm、Cd等少數幾種元素，但碳化硼的造價低，不產生放射性同位素，二次射線能量低，而且耐腐蝕、熱穩定性好，因此在核工業中越來越受到青睞。其主要應用包括：（1）將B104C粉與石墨粉混合制成硼碳磚，用于反應堆外部，防止放射性物質外泄；（2）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應堆控制棒，控制反應堆反應速度；（3）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應堆的屏蔽材料，吸收放射性物質；（4）采用常壓燒結工藝，將B104C粉末燒結成塊狀，用于反應堆的屏蔽材料。

4 溫差電偶
利用B4C的熱電性，日本和德國燒結制備出可測2200℃的溫差電偶，用于高溫的測量與控制。它的高熱電性和穩定性使其可長期可靠地使用。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2200 ℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關系良好。

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

近幾十年來，由于科學技術的迅猛發展，尤其是電子技術、空間技術、計算機技術的飛速發展，迫切需要有特殊性能的材料。碳化硼因具有很多優良的性能而成為特種陶瓷家族中的重要一員。目前有關碳化硼粉末的制備，碳化硼陶瓷材料的燒結的很多難題都已經迎刃而解了。在未來的材料領域，碳化硼一定能以其優異的性能而占據重要的地位。

6 碳化硼的電性能應用：
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2200℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關系良好。

7 碳化硼作為化學原料的應用：
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材料的強度和耐磨性。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，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 碳化硼在藍寶石晶片（LED）中的應用：
近年來國家對于LED產業的大力扶持和推動，使得LED產業發展形勢趨好，因而給生產和加工藍寶石晶體的企業帶來了很大的商機。由于藍寶石晶體的強度高、硬度大（莫氏硬度9）給加工企業帶來了很大的困難。從材料和研磨學界的角度來看，加工和研磨藍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大（莫氏硬度10）在研磨藍寶石晶片時會對表面產生劃傷，影響晶片的透光度，并且價格昂貴。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時、費工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成為加工和研磨藍寶石晶體最理想的材料。碳化硼磨料在藍寶石晶片的雙面研磨和藍寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現。國家一些重點大學也針對碳化硼在研磨藍寶石晶體方面有主要研究。總之，隨著LED產業的快速發展，碳化硼也將會迅速崛起。