1.晶體結構

碳化硼具有典型的二十面體硼化物的復雜晶體結構。斜方六面體結構是碳化硼主要的晶體結構，六方菱形為主要的晶格。其內含二十面體的原子團簇，共價鍵鍵接這些原子團簇，且三原子鏈接于斜方六面體的對角線上。B₄C結構中廣為認同的是一個B₁₁C二十面體和一條C-B-C的原子鏈組成的結構。B、C兩原子在二十面體內及原子鏈上互相替代，故碳化硼在碳元素質量分數8%-20%之間存在許多穩定的同分異構體（如B₁₃C 、B₁₂C₃、B₄C 等）。

2.性能

（1）碳化硼最重要的性能在于其超常的硬度(莫氏硬度為9.3)，硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，是最理想的高溫耐磨材料；

（2）碳化硼密度很小，是陶瓷材料中最輕的，可用于航天航空領域；

（3）碳化硼的中子吸收能力很強，相對于純元素B和Cd來說，造價低、耐腐蝕性好、熱穩定性好，廣泛用于核工業，碳化硼中子吸收能力還可以通過添加B元素而進一步改善；

（4）碳化硼的化學性能優良，在常溫下不與酸、堿和大多數無機化合物反應，僅在氫氟酸一硫酸、氫氟酸一硝酸混合物中有緩慢的腐蝕，是化學性質最穩定的化合物之一；

（5）碳化硼還具有高熔點、高彈性模量、低膨脹系數和良好的氧氣吸收能力等優點；

（6）碳化硼還是p型半導體材料，即使在很高的溫度下也可保持半導體特性。

3.應用

（1）噴嘴材料：碳化硼的超高硬度和優異的耐磨性能，使它成為重要的噴嘴材料。碳化硼噴嘴具有壽命長、相對低成本、省時、高效等優點。

（2）中子吸收和防輻射材料：B元素具有高達600barn的中子吸收截面，是核反應堆中減速元件―控制棒或核反應堆防輻射部件的主要選用材料；

（3）復合裝甲材料：利用其輕質、超硬和高模量等特性，用作輕型防彈衣和防彈裝甲材料。采用碳化硼制作的防彈衣，比同型鋼質防彈衣要輕50%以上。碳化硼同時還是陸上裝甲車輛、武裝直升機以及民航客機的重要防彈裝甲材料。  

（4）半導體工業元件和熱電元件：碳化硼陶瓷具有半導體特性和較好的熱導性能，可用作高溫半導體元器件，也可以用作半導體工業中的氣體分布盤、聚焦環、微波或紅外窗口、DC插頭等。B₄C與C結合可用作高溫熱電偶元件，使用溫度高達2300℃，同時也可用作抗輻射熱電元件；                           

（5）磨料：B₄C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。

（6）其他應用：如在耐火材料領域，碳化硼是作為抗氧化劑，主要用在低碳鎂碳磚和澆注料中。

4.結語

碳化硼因其優異的性能，在航天航空、國防、核能和耐磨技術等領域扮演著重要的角色。其制備方法有碳熱還原法，自蔓延熱還原法，機械化學法，直接合成法，溶膠凝膠法等。目前阻礙碳化硼應用推廣的主要問題在于碳化硼的制備成本較高，而碳化硼自身又存在過高的燒結溫度、較差的抗氧化能力等問題。

粉體圈作者：小新