碳化硼粉体的制备和应用

碳化硼是一种具有金属光泽的黑色晶体，又名黑钻石，属于无机非金属材料。目前大家对碳化硼这种材料的熟知可能是由于防弹装甲的应用，因为它在陶瓷材料中密度最低，具有弹性模量较高、硬度高等优势，可以达到很好的利用微破碎来吸收射弹能量的效果，同时尽量减轻负重。但其实，碳化硼还有许多其他的独特性质，可以使其在磨料、耐火材料、核工业、航空航天等领域发挥重要作用。

碳化硼的性质

在物理性质方面，碳化硼的硬度仅在金刚石与立方氮化硼之后，高温下仍能保持很高强度，可作为理想的高温耐磨材料；碳化硼密度非常小（理论密度仅为2.52g/cm3），轻于一般的陶瓷材料，可应用于航天航空领域；碳化硼的中子吸收能力很强，热稳定性能较好，熔点为2450℃，因此它在核工业领域也有广泛应用，同时它的中子吸收能力通过添加B元素还可进一步改善；特定形貌和结构的碳化硼材料还具有特殊的光电等性能；此外，碳化硼还有高熔点、高弹性模量、低膨胀系数和良好的氧吸收能力等优点，这些都使它成为冶金、化工、机械、航空航天军工等繁多领域的一种潜在的应用材料。例如，耐蚀耐磨零件、制作防弹装甲、反应堆控制棒和热电元件等。

在化学性质方面，碳化硼在常温下不会和酸、碱以及大多数无机化合物发生反应，常温下几乎不与氧气、卤族气体反应，化学性质稳定。此外，碳化硼粉末作为钢硼化剂受卤素活化，在钢的表面渗入硼以生成硼化铁薄膜从而增强了材料的强度和耐磨性，其化学性能优良。

我们都知道材料的性质决定用途，那么碳化硼粉体在哪些应用中有着突出表现呢？

碳化硼的应用

01 碳化硼被用作抛光磨料

碳化硼作为磨料的应用主要是用于蓝宝石的研磨抛光，在超硬材料中，碳化硼的硬度优于氧化铝和碳化硅，仅次于金刚石和立方氮化硼。蓝宝石是实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管（LED）、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最理想的衬底材料，其表面的光滑程度要求很高，必须达到超光滑无损伤的程度。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、碳化硅、二氧化硅。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；碳化硅切割完通常粗糙度RA较高，平整度较差；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，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。

值得一提的是，由于碳化硼在600℃以上时，外表会氧化成B2O3薄膜，使其发生一定的软化，因此在磨料应用中并不适用于温度过高的干磨，只适用于抛光液研磨。但这种性质可阻止B4C的进一步被氧化，使它在耐火材料应用中有独特的优势。

02在耐火材料方面的应用

碳化硼具有抗氧化、耐高温的特性，一般被用作高级的定形和不定形耐火材料广泛用在冶金各个领域，如钢铁炉具、窑具等。

随着钢铁工业节能降耗和冶炼低碳钢、超低碳钢的需要，研究开发性能优良的低碳镁碳砖（碳含量一般﹤8%）日益受到国内外业界的关注。目前，一般通过改善结合碳结构、优化镁碳砖基质结构，增加高效抗氧化剂等措施来提高低碳镁碳砖的使用性能，其中采用工业级碳化硼及部分石墨化炭黑构成的石墨化炭黑复合粉体，将其作为碳源和抗氧化剂用于低碳镁碳砖，取得了很好的效果。

由于碳化硼在高温时会发生一定的软化，因此可以附着在其他材料颗粒的表面，既使产品致密化，其表面的B2O3氧化薄膜也可形成一定的保护，发挥抗氧化作用。同时因为反应生成柱状晶体分布在耐火材料的基质和间隙里，从而降低气孔率，提高中温强度，且生成晶体体积膨胀，可愈合体积收缩，减少裂纹。

03用于增强国防力量的防弹材料

碳化硼由于硬度大、强度高、比重小、其抗弹性能等级高，特别符合抗弹材质轻质化的趋势要求，是飞机、车辆、装甲、人体等防护的最佳抗弹材料；目前，国家总装备部已提出低价位碳化硼抗弹装甲研究，旨在推广碳化硼抗弹装甲在我国国防工业的大面积使用。

04在核工业上的应用

碳化硼的中子吸收截面高，吸收中子的能谱宽，被国际公认为是核工业的最佳中子吸收剂。其中硼-10同位素的热截面高达347×10-24cm2，仅次于钆、钐、镉等少数元素，是高效的热中子吸收剂。此外，碳化硼资源丰富，耐腐蚀，热稳定性好，不产生放射性同位素，二次射线能量低等，因此碳化硼被广泛地用作核反应堆中的控制材料和屏蔽材料。

例如在核工业中，高温气冷堆采用硼吸收球停堆系统作为第二停堆系统，在事故情况下，当第一停堆系统出现故障时，第二停堆系统采用大量碳化硼小球自由落体进入堆芯反射层孔道等方法，使反应堆停闭，并实现冷停堆，其中吸收球即为含有碳化硼的石墨球。碳化硼堆芯在高温气冷堆中的主要作用是控制反应堆功率及安全，碳砖中渗有碳化硼中子吸收材料，可以降低反应堆压力壳的中子照射。

目前核反应堆用硼化物材料主要包括如下几种材料：碳化硼（控制棒、屏蔽棒），硼酸（慢化剂、冷却剂），硼钢（控制棒和核燃料及核废料的储存材料），硼化铕（堆芯可燃毒物材料）等。