碳化硼的晶体结构、应用领域以及发展前景
发布日期： 2020-07-20 10:56:02 阅读量（810） 作者：从碳化硼1853年首次被发现，碳化硼的发展已有150多年的历史，期间对碳化硼晶体结构的探索日益深入，对碳化硼制备方法的研究更加细化，应用领域更加广泛。我国作为陶瓷大国，碳化硼陶瓷以其优良的耐高温性能在碳化物陶瓷中占有及其重要的地位由于硼与碳均为非金属元素，其晶体结构也十分特殊，在碳化硼的二十面体与原子链上硼原子与碳原子可相互取代，并形成多种同分异构体，从而碳化硼具有许多优良的机械性能。
碳化硼的超高的硬度(莫氏硬度为9.3，显微硬度为55GPa-67GPa)使其在作为防弹材料、充当蓝宝石磨料方面有极其重要的作用;碳化硼低密度、耐腐蚀、化学性质稳定的特点使其在航天领域有着十足的优势可作为火箭中重要的零部件材料;其良好的中子吸收性使其在核反应堆中常充当中子吸收材料、控制材料和屏蔽材料。
近年来通过不断创新，摸索出了多种制备方法，目前为止比较完善的方法有：镁热法(也称高温自蔓延合成法)、碳管炉或电弧炉碳热还原法、化学气相沉积法、直接合成法、机械化学法等。目前工业生产使用较广的是碳管炉或电弧炉碳热还原法，而直接合成法可用于纯度较高的碳化硼产品的制备。而溶剂热还原法、粒子束合成法等一些新的合成方法也得到了纳米级的B4C粉体。但碳化硼韧性低，难以烧结致密化的缺点一直是研究的重点方向。张辉等人探究了影响碳化硼陶瓷致密化的因素，并分析了各种可提高碳化硼陶瓷致密度的机制;薛向欣等人探究了其他元素Al含量对B4C-AlB12-Al复合材料性能的影响，并指出当Al含量为45.85%(w)时，试样的抗弯强度最高达64MP。
1、晶体结构
关于碳化硼晶体的研究日益深入。碳化硼晶体结构如图1所示，为斜面六方晶系其结构单元为由12个原子组成的二十面体与C—B—C链，也被称为六角结构，而六角点阵的【0001】轴线与斜面六方晶系的【111】方向相对应。谢洪勇等人讲机械化学法制备得到的碳化硼粉末晶体经盐酸和水洗后进行XRD分析，得到结构使用三线法、最小二乘法进行计算所得晶格常数与理论计算值基本符合，相对误差约为±2%。
然而，关于碳化硼相图是极有争议的，经过不断探讨，1950年后确定了一个B4.0C、B10.5C的均相区，它们的晶格常数十分相似，只在化学计量组成上有细微区别，因此将此均相区内物质称作碳化硼，其中B13C2(即B6.5C)和B12C3(即B4C)是碳化硼中最稳定的结构。但由于B-C体系中化合物众多，其相图也有众多版本，所以B-C相图仍存在一些争议。但可以确定的是，在稳定相中C的固溶度十分宽泛，产物中也易出现多余C相。
2、应用领域
(1)国防领域。20世纪60年代起碳化硼陶瓷就开始应用于防弹方面，相较于其他材料，其有着易携带硬度高的特点，在武装直升机的轻质装甲和航空器的防弹装甲方面发挥着巨大作用。英国以其为原料做成了能防御穿甲弹的护甲。
(2)化学原料方面。为增加合金材料的耐磨性以及强度，碳化硼作为合金的硼化剂，可在金属表面渗硼从而生成硼化铁薄层;其也可作为硼源，以还原化和法生成硼化物粉末如TiB2、ZrB2、CrB2，或以“B4C法”制取卤化硼、硼化氢等。
(3)耐磨领域。各种工业喷嘴如除锈用的除砂器喷嘴和利用高压水枪切割时用的喷嘴背后都有着碳化硼陶瓷的影子，因其在极端条件下使用寿命较长具有较高性价比，往往是工厂首选。它也经常作为研体被用于化学分析过程，因其可有效避免研磨过程中磨料损耗所造成的污染。作为金刚石磨料的替代品，在各类硬金属、玉石玻璃类的加工过程中碳化硼能显著降低成本。
(4)核能方面。因碳化硼卓越的中子吸收能力，常被用于中子吸收材料控制棒、安全棒等元件以控制核分裂的速率以及人体安全的保护。
(5)航空方面。在火箭的动力系统——火箭发动机中，碳化硼作为起着输送液体燃料作用的流量变送器轴尖的重要组成原料，发挥着重要作用;飞行器的导航系统中，陀螺仪是不可或缺的重要组成部分，碳化硼作为陀螺仪的添加材料能有效增加其寿命。
3、前景展望
近些年，伴随手机屏幕的更新换代和LED灯的飞速发展，蓝宝石的需求大量增加，碳化硼作为蓝宝石的重要组成原料，处理蓝宝石的过程需要破碎碳化硼，而在破碎其的过程中能产生大量副产物一一除患废料，其易被布袋收尘设备回收。这些副产物粒度细，且因含有Fe元素杂质(生产过程中钢材设备损耗产生)而纯度低。关于此类废料的回收还没有完整的流程。但妥善处理这些废料，能有效解决侵占土地和污染环境等问题，将其加工成耐火材料还能带来显著的经济价值。
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