碳化硼是非氧化物陶瓷中的非常重要的一個品種。它在1858年科學家研究金屬硼化的合成時被首次發(fā)現(xiàn)，在1883年時首次被人工合成，并將其寫作B₃C，之后在1934年時化學計量式被正式修定為B₄C。

顯微鏡下的碳化硼顆粒

碳化硼最大的特色就是硬度極高，位于最硬材料的行列內(nèi)，僅次于金剛石和立方氮化硼。除此之外，還具有熔點高(2450℃)、彈性模量高、密度小(2.52 g/cm³)、熱穩(wěn)定性好、熱中子吸收橫截面(6×10^-22·cm^-2)高等優(yōu)點。這些獨特的性質(zhì)，使得碳化硼成為很多工程應用領(lǐng)域中的重要候選材料，在耐火材料、研磨介質(zhì)、耐磨涂層、反應堆控制棒和屏蔽棒、輕質(zhì)盔甲等諸多領(lǐng)域都有著不錯的表現(xiàn)。

一、碳化硼的性能與應用

一種材料到底要怎么用，往往和它的性能息息相關(guān)，碳化硼也不例外，具體如下：

1、高的硬度和耐磨性

碳化硼的硬度之高，使它擁有“黑鉆石”之稱。在均相區(qū)內(nèi)，隨著碳的質(zhì)量分數(shù)增加，碳化硼的維氏硬度也增加。當w(C)從10.6%增加到20%時，硬度從29.1 GPa增加到37.7 GPa。值得關(guān)注的是，碳化硼在高溫時仍然擁有很高的硬度(>30 GPa)，因此是非常理想的高溫耐磨材料。另外，碳化硼的耐磨性能也僅次于金剛石。金剛石的抗磨性能測量值為0.613，碳化硼的抗磨性能測量值為0.400~0.422，而碳化硅的抗磨性能測量值則是0.314。

代表應用①:研磨材料

憑借優(yōu)秀的硬度和耐磨性，碳化硼常被用作磨料、耐磨耐腐蝕陶瓷器件和汽車零部件等。碳化硼可用作硬質(zhì)合金、工程陶瓷及藍寶石等硬質(zhì)材料的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料。近年來，逐漸用碳化硼逐漸代替之前的金剛石來研磨藍寶石晶片，可大幅度降低研磨成本。據(jù)報道，近年來碳化硼磨料的需求量隨著LED等光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而激增，僅是2017年碳化硼磨料市場規(guī)模就已接近8430噸。

藍寶石材料襯底的生產(chǎn)過程需要大量的碳化硼磨料

代表應用②:結(jié)構(gòu)材料

利用粉末冶金技術(shù)制作耐磨和耐腐蝕性的碳化硼器件等，在眾多工業(yè)領(lǐng)取獲得了較好應用效果。比如將碳化硼器件用于啟動滑閥、核電站冷卻系統(tǒng)中的軸頸軸承、熱擠壓模等；還可作于陶瓷氣體渦輪機當中的耐腐蝕和耐摩器件；還可用于噴砂嘴、高壓噴水切割中使用的噴嘴。碳化硼材料還屬于氣浮軸承材料，具有壽命長、自潤滑性好、材質(zhì)優(yōu)良等特點。

碳化硼噴嘴具有壽命長、相對低成本、省時、高效等優(yōu)點

2、低密度

碳化硼的密度很小，比鋁還小。在均相區(qū)(8.8%≤w(C)≤20.0%)內(nèi)，碳化硼的密度與碳質(zhì)量分數(shù)(w(C))的關(guān)系可由經(jīng)驗公式表示為：

其中，B₄C的密度為2.52 g/cm³，B₁₃C₂的密度為2.488g/cm³，B_10.4C的密度為2.465 g/cm³。

代表應用:軍工防彈裝甲材料

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(zhì)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。

SA3B? LEVEL III+型碳化硼小型武器防護插件，是世界上最輕且最昂貴的III+級板之一

3、中子吸收能力

¹⁰B在天然硼中占19.8%，富集的硼甚至可達90%，¹⁰B熱中子截面高達3.47/10^-24 cm²。僅次于Gd、Sm、Cd等少數(shù)幾種元素，吸收能譜寬，在吸收中子后不產(chǎn)生強的γ射線二次輻射，且耐腐蝕、高溫穩(wěn)定性好、價格低、來源豐富。因此，在核反應堆控制方面可作為中子吸收劑而得到廣泛應用。另外，B₄C也展現(xiàn)出了良好的“輻照自修復”性能，這可能與B₄C復雜的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

代表應用:核屏蔽和控制材料

近年來，B₄C在核工業(yè)中越來越受到青睞。其主要應用包括：（1）將B₄C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(zhì)外泄；（2）將B₄C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B₄C粉高溫壓制成制品，做反應堆的屏蔽材料，吸收放射性物質(zhì)；（4）采用常壓燒結(jié)工藝，將B₄C粉末燒結(jié)成塊狀，用于反應堆的屏蔽材料。

碳化硼核反應堆控制棒

4、熱電性能

碳化硼熔點高達2450℃，沸點為3500℃，熱膨脹系數(shù)為5.7×10^-6(28～1770℃)。其Seebeek系數(shù)較大，熱導率較低，高溫電導率較高和熱穩(wěn)定性較好，尤其熱電性能隨溫度升高而提高。近年來人們研究了碳含量對碳化硼結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整碳化硼中碳的質(zhì)量分數(shù)，可獲得熱電性超過P型半導體的碳化硼。Wood認為具有最好熱電性能的是B₉C。

代表應用:溫差電偶

B₄C不僅有潛力作為P型高溫半導體材料在新型電子領(lǐng)域得到應用，還有望應用在高溫熱電偶和熱電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備領(lǐng)域。目前利用B₄C的熱電性，日本和德國燒結(jié)已制備出可測2200℃的溫差電偶（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），用于高溫的測量與控制，其高熱電性和穩(wěn)定性使它可以長期可靠地使用。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(guān)系良好。

5、化學穩(wěn)定性

碳化硼擁有優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能。在常溫下不與酸、堿和大多數(shù)無機化合物反應，僅在氫氟酸．硫酸、氫氟酸一硝酸混合物中有緩慢的腐蝕。在600℃以下基本不發(fā)生氧化反應，而溫度在600℃以上時，由于表面氧化形成B₂O₃薄膜，阻止進一步氧化。

代表應用:溫差電偶

碳化硼可作為抗氧化劑添加于碳質(zhì)的耐火材料中，不僅增強了耐火材料的抗熱沖擊性，同時也使耐火材料免受金屬和爐渣的浸潤，防止碳質(zhì)耐火材料中的碳被氧化。之所以可以起到這個作用，是因為碳化硼被氧化時會與基底材料發(fā)生相互作用，形成液體或氣體相，從而防止碳質(zhì)耐火材料中的碳不被氧化，也就延長了含碳耐火材料的使用壽命。

二、碳化硼面臨的挑戰(zhàn)

碳化硼百般好，卻有兩個主要缺點限制了其進一步的應用：一方面，傳統(tǒng)制備方法得到的B₄C粉體粒度不均勻、雜質(zhì)含量高，尤其是顆粒粗大、形貌單一，使B₄C的優(yōu)異性能難以充分發(fā)揮，嚴重限制了其應用；另一方面，B₄C斷裂韌性較低，且B₄C原子間的化學鍵93.9%為共價鍵，具有較低的自擴散系數(shù)，晶界移動阻力較大，不僅粉體合成困難，而且還難以燒結(jié)致密。

不過隨著材料理論的日益充實和實驗技術(shù)的進步，碳化硼越來越受到學術(shù)界和工業(yè)界的重視，為碳化硼的廣泛應用提供了新的契機。

比如說近年已有許多文獻報道，通過多種方法都可以得到高純度、低維度、粒度均勻的B₄C粉體，部分成果如下：

ü 元素合成法制備的B₄C粉體雖然產(chǎn)量較小，但是一般純度較高；

ü 工業(yè)中最常用的碳熱還原法得到的B₄C的最小粒度為20~30nm；

ü 快速節(jié)能的自蔓延高溫合成法可以得到厚度為10~50nm的片狀B₄C；

ü 棒狀、纖維狀等特殊形貌的B₄C主要通過化學氣相沉積法合成；

ü 溶劑熱還原法、VLS生長法、粒子束合成法等一些新的合成方法也都獲得了納米尺寸的B₄C粉體。

元素合成法B₄C產(chǎn)物的微觀形貌：(a)纖維狀納米；(b)納米顆粒；(c)納米線

至于難以燒結(jié)這個問題，目前業(yè)界主要利用添加燒結(jié)助劑技術(shù)用來改善碳化硼自身的燒結(jié)行為，使其成為更加廉價和實用性強的碳化硼器具。另外還可向碳化硼中添加豐富的碳化硅，使其制作成復合材料，來提升燒結(jié)提的密度。

碳化硅具有良好的物理性能以及力學特點，包含較高的比模量、比強度、抗腐蝕以及抗熱沖擊性能等、密度低、熱膨脹系數(shù)低等特點。經(jīng)研究可發(fā)現(xiàn)，在碳化硅材料中添加適量碳化硼就會獲取到密度更為緊致的燒結(jié)體，由此可見碳化硅和碳化硼具有相互促進和提升作用，是一對非常好的搭檔。

資料來源：

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王基峰. 碳化硼粉體制備技術(shù)及應用[J]. 中外企業(yè)家,2021(11):205-206. DOI:10.12231/j.issn.1000-8772.2021.11.205.

種小川,肖國慶,丁冬海,等. 碳化硼粉體合成方法的研究進展[J]. 材料導報,2019,33(15):2524-2531. DOI:10.11896/cldb.18070092.

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