碳化硼 (B4C) 是由硼和碳組成的耐用陶瓷。碳化硼是已知最硬的物質之一，僅次於立方氮化硼和金剛石，排名第三。它是一種用於各種關鍵應用的共價材料，包括坦克裝甲、防彈背心和發動機破壞粉末。事實上，它是各種工業應用的首選材料。本文概述了碳化硼及其優點。

碳化硼到底是什麼？

碳化硼是一種重要的化合物，具有典型的二十面體硼化物晶體結構。該化合物是在 19 世紀作為金屬硼化物反應的副產品被發現的。直到 1930 年代，人們才知道它的化學式，當時它的化學成分被估計為 B4C。該物質的 X 射線晶體學表明它具有非常複雜的結構，由 C-B-C 鍊和 B12 二十面體組成。

碳化硼具有極高的硬度（莫氏硬度為 9.5–9.75）、抗電離輻射的穩定性、抗化學反應性和出色的中子屏蔽性能。碳化硼的維氏硬度、彈性模量和斷裂韌性幾乎與金剛石相同。

由於其極高的硬度，碳化硼也被稱為“黑金剛石”。它也被證明具有半導體特性，跳躍型傳輸主導其電子特性。它是一種p型半導體。由於其極高的硬度，它被認為是一種耐磨的技術陶瓷材料，使其適用於加工其他極硬的物質。除了良好的機械性能和低比重外，它還是製作輕型裝甲的理想材料。

碳化硼陶瓷的生產

碳化硼粉末通過熔融（涉及用碳還原硼酸酐 (B2O3)）或鎂熱反應（涉及在炭黑存在下使硼酸酐與鎂反應）進行商業生產。在第一個反應中，產品在熔爐的中心形成一個相當大的蛋形塊。這種蛋形材料被提取、壓碎，然後研磨成合適的粒度以供最終使用。

在鎂熱反應的情況下，可直接獲得低粒度的化學計量碳化物，但它含有雜質，包括高達 2% 的石墨。因為它是一種共價鍵合的無機化合物，所以如果不同時施加熱量和壓力，碳化硼很難燒結。因此，碳化硼通常通過在真空或惰性氣氛中在高溫 (2100–2200 °C) 下熱壓精細純粉末 (2 m) 製成緻密形狀。

另一種生產碳化硼的方法是在非常高的溫度 (2300–2400 °C) 下進行無壓燒結，該溫度接近碳化硼的熔點。為了幫助降低在此過程中緻密化所需的溫度，將氧化鋁、Cr、Co、Ni 和玻璃等燒結助劑添加到粉末混合物中。

碳化硼陶瓷的應用

碳化硼有許多不同的應用。

碳化硼用作研磨劑和研磨劑。

粉末狀碳化硼非常適合用作研磨劑和研磨劑，在加工超硬材料時具有高材料去除率。

碳化硼用於製造陶瓷噴嘴。

碳化硼具有極強的耐磨性，使其成為燒結後噴砂噴嘴的極佳材料。即使與極硬的磨蝕性噴砂劑一起使用例如剛玉和碳化矽，爆破力保持不變，磨損最小，噴嘴更耐用。

碳化硼用作防彈材料。

碳化硼提供與鎧裝鋼和氧化鋁相當的防彈保護，但重量要輕得多。現代軍事裝備除了重量輕外，還具有硬度高、抗壓強度高和彈性模量高的特點。碳化硼優於此應用的所有其他替代材料。

碳化硼用作中子吸收劑。

在工程中，最重要的中子吸收劑是 B10，在核反應堆控制中用作碳化硼。

硼的原子結構使其成為一種有效的中子吸收劑。特別是 10B 同位素，其天然豐度的 20% 左右，具有高核橫截面，可以捕獲鈾裂變反應產生的熱中子。

用於中子吸收的核級碳化硼圓盤