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因为防弹装甲的应用，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

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2.52 g/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

1.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/Al ₂O₃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。但这种性质可阻止了B₄C的进一步被氧化，使它在耐火材料应用中有独特的优势。

2.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。

3.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。

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4.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^-24 cm²，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。

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碳化硼粉体的制备

根据不同的反应原理、不同的原料和设备，碳化硼的制备方法及其优缺点、应用前景如下所示：

下面主要对工业生产的四种方法进行简单介绍。

1. 碳热还原法

碳热还原法是目前碳化硼生产的一个重要方法，同时也是工业上最普遍的方法。该方法主要

是利用高温下碳的还原性，将硼源中的硼还原出来，同时与其结合生成碳化硼。反应中，碳既作为还原剂，也作为原料。工艺流程是：

碳热还原法生产碳化硼粉体工艺流程图

该方法具有设备结构简单、占地面积小、建成速度快、工艺操作成熟等优点。但同时，由于生产过程中电弧炉不同区域温度场不均匀，会产生碳化硼颗粒大小不均匀，反应不彻底等现象。产物粒度一般较大，需进行破碎处理。

2.自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法，又常被称为SHS技术。这一方法是前苏联物理化学研究所的Merzhahov等发明的。它是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。当反应物被引燃，它会向尚未反应的区域自动延伸反应，直到反应完全，是一种新的制备无机化合物高温材料方法。由于它在难熔材料合成方面具有合成时间短、能耗低等许多传统方法难以比拟的优点，正日益引起材料界的重视。如果固相化学反应是强烈的放热反应，即可采用该种方法制取化合物粉末。

SHS过程示意图

该方法具有反应温度较低（1000℃～1200℃）、节约能源（利用外部能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波进行下去）、反应迅速等优点，所以合成出的碳化硼粉纯度较高且原始粉末粒度较细（0.1～4μm），一般不需要再破碎处理。另外，SHS过程中升温和冷却速度极快，易于形成高浓度缺陷和非平衡结构，粉末的晶形呈不规则，可以使产物具有高的活性，从而提高其烧结性能。但是极难彻底洗去产物中的硼镁杂质，会增加工艺流程及成本，这是工艺中应该进一步研究的问题。

3. 聚合物前驱体裂解法

低温前驱体裂解法是一种当无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶、固化四个过程后，再经过热处理操作成为固体化合物的方法。该方法能在分子水平上设计和控制碳化硼粉体的均匀性及粒度，从而得到超细、高纯并且均匀的纳米材料。碳源一般为甘油、柠檬酸、聚乙烯醇、葡萄糖、甘露醇、淀粉、蔗糖和纤维素等，硼源为硼酸或硼酐。

4. 溶胶凝胶法

该法的基本原理是易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经过干燥烧结等处理得到所需材料。基本反应有水解反应和聚合反应，可在低温下制备高纯、粒径分布均匀、化学活性高的单多组分混合物。

选择合适的硼源、碳源而形成凝胶，本方法具有原料的分子级混合更加均匀、反应温度低、产物膨松等优点。

总的来说，碳化硼因具有很多优良的性能而被广泛应用。目前有关碳化硼粉末的制备，碳化硼陶瓷材料烧结的很多难题都已解决。在未来的材料领域，碳化硼一定能以其优异的性能而占据重要的位置。

参考资料：

1. 石浩，豆志河，张廷安。碳化硼粉体制备及应用综述（东北大学冶金学院）

2. 刘珅楠，孙帆，谭章娜等。碳化硼的研究进展（温州大学化学与材料工程学院）。

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