碳化硼陶瓷是一種新型非氧化物陶瓷材料，是新型陶瓷中重要的耐磨損和高硬度結(jié)構(gòu)陶瓷材料。因其具有熔點(diǎn)高、硬度高、密度低、熱穩(wěn)定性好、抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)和中子吸收能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于能源、軍事、核能以及防彈領(lǐng)域。碳化硼又稱黑鉆石，是僅次于金剛石和立方氮化硼的第三硬材料，故成為超硬材料家族中的重要成員。
圖 碳化硼陶瓷，來源：鄭州得爾硼
1.碳化硼的發(fā)展
碳化硼最早是人們在1858年制備金屬硼化物時無意之中發(fā)現(xiàn)的，然后英國的Joly于1883年、法國的Moissan 于1894年分別制備了碳化硼并認(rèn)定其化學(xué)式為B3C，B6C，化學(xué)計量分子式為B4C的化合物直到1934年方被認(rèn)知，隨后，俄國學(xué)者提出了許多不同的碳一硼化合物分子式，但這些分子式未能得到確認(rèn)。碳化硼存在許多同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)分子式得到證實(shí)，由B-C相圖可知，碳一硼化合物有一個從B4.0C到 B10.5C 的很寬的均相區(qū)，在這個均相區(qū)內(nèi)的物質(zhì)習(xí)慣上通稱為碳化硼。從20世紀(jì) 50 年代起，人們對碳化硼，尤其是對其結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了大量的研究，取得了許多研究成果，推動了碳化硼制備和應(yīng)用技術(shù)的長足發(fā)展。
2.碳化硼的性能特點(diǎn)
碳化硼具有低密度（2.52 g cm-3）、高熔點(diǎn)（2450oC）、高硬度（顯微硬度Hv值約30 GPa，僅次于金剛石和立方氮化硼）、高彈性模量（448 GPa）和高的中子吸收截面（600靶）等特點(diǎn)，從而成為一種極為重要的戰(zhàn)略資源。在碳化硼中，碳與硼都為非金屬元素，且原子半徑互相接近，其結(jié)合方式與一般間隙型化合物不同,正是這種特殊的結(jié)合方式使得碳化硼具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。作為結(jié)構(gòu)陶瓷的碳化硼，其最突出的性能是它的高硬度，僅次于金剛石與立方氮化硼，碳化硼中含有的"B 具有中子吸收能力強(qiáng)、吸收能譜寬等特性。
- 高硬度
碳化硼是已知物質(zhì)中硬度第二高的材料，僅次于鉆石。
- 密度高
碳化硼的密度很高，大約是鋼的2倍，鋁的3倍。
- 良好的耐磨性
碳化硼的耐磨性非常好，可以在極端環(huán)境下使用。
- 化學(xué)穩(wěn)定性
碳化硼在常溫常壓下非常穩(wěn)定，不易與酸堿發(fā)生反應(yīng)。
- 高溫穩(wěn)定性
在高溫環(huán)境下，碳化硼仍能保持其穩(wěn)定性，不易分解。
抗氧化性
碳化硼不易被氧化，可以在高溫氧化環(huán)境中使用。
3.碳化硼的應(yīng)用領(lǐng)域
①核工業(yè)領(lǐng)域
- 核反應(yīng)堆控制棒
碳化硼陶瓷具有優(yōu)異的熱中子吸收性能，是核反應(yīng)堆控制棒的理想材料，用于控制核反應(yīng)速度。通過調(diào)節(jié)控制棒在堆芯內(nèi)的深度可以控制堆芯內(nèi)的反應(yīng)速度，從而調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆的功率。
圖 碳化硼核控制棒，圖源，山東華恩
- 核廢料處理
碳化硼陶瓷可以用于核廢料處理，因?yàn)樗鼘Ψ派湫栽赜休^好的遮蔽和固定作用。
②耐磨材料領(lǐng)域
- 研磨介質(zhì)
碳化硼陶瓷硬度高，耐磨性能優(yōu)異，可以作為研磨介質(zhì)用于各種研磨機(jī)中，如球磨機(jī)、棒磨機(jī)等。
- 耐磨管道和密封件
碳化硼陶瓷可以用于制造耐磨管道和密封件，適用于輸送高硬度、高磨損的物料。
③防彈裝甲領(lǐng)域
- 輕質(zhì)裝甲
碳化硼陶瓷具有高硬度和輕質(zhì)的特點(diǎn)，可以作為輕質(zhì)裝甲材料，用于保護(hù)軍事裝備和人員安全。
圖源Adept
- 防彈衣
碳化硼陶瓷可以與其他材料復(fù)合制成防彈衣，提供較好的防彈效果。
④高溫爐管
碳化硼陶瓷具有較好的耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以作為高溫爐管材料。
⑤電子陶瓷
碳化硼陶瓷可以作為電子陶瓷材料用于制造電子元件和電路板等。
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