碳化硼 (B4C) 是由硼和碳组成的耐用陶瓷。碳化硼是已知最硬的物质之一，仅次于立方氮化硼和金刚石，排名第三。它是一种用于各种关键应用的共价材料，包括坦克装甲、防弹背心和发动机破坏粉末。事实上，它是各种工业应用的首选材料。本文概述了碳化硼及其优势。

碳化硼到底是什么？

碳化硼是一种重要的化合物，具有典型的二十面体硼化物晶体结构。该化合物是在 19 世纪作为金属硼化物反应的副产品被发现的。直到 1930 年代，人们才知道它的化学式，当时它的化学成分被估计为 B4C。该物质的 X 射线晶体学表明它具有非常复杂的结构，由 C-B-C 链和 B12 二十面体组成。

碳化硼具有极高的硬度（莫氏硬度为 9.5–9.75）、抗电离辐射的稳定性、抗化学反应性和出色的中子屏蔽性能。碳化硼的维氏硬度、弹性模量和断裂韧性几乎与金刚石相同。

由于其极高的硬度，碳化硼也被称为“黑金刚石”。它也被证明具有半导体特性，跳跃型传输主导其电子特性。它是一种p型半导体。由于其极高的硬度，它被认为是一种耐磨的技术陶瓷材料，使其适用于加工其他极硬的物质。除了良好的机械性能和低比重外，它还是制作轻型装甲的理想选择。

碳化硼陶瓷的生产

碳化硼粉末通过熔融（涉及用碳还原硼酸酐 (B2O3)）或镁热反应（涉及在炭黑存在下使硼酸酐与镁反应）进行商业生产。在第一个反应中，产品在熔炉的中心形成一个相当大的蛋形块。这种蛋形材料被提取、压碎，然后研磨成合适的粒度以供最终使用。

在镁热反应的情况下，可直接获得低粒度的化学计量碳化物，但它含有杂质，包括高达 2% 的石墨。因为它是一种共价键合的无机化合物，所以如果不同时施加热量和压力，碳化硼很难烧结。因此，碳化硼通常通过在真空或惰性气氛中在高温 (2100–2200 °C) 下热压精细纯粉末 (2 m) 制成致密形状。

另一种生产碳化硼的方法是在非常高的温度 (2300–2400 °C) 下进行无压烧结，该温度接近碳化硼的熔点。为了帮助降低在此过程中致密化所需的温度，将氧化铝、Cr、Co、Ni 和玻璃等烧结助剂添加到粉末混合物中。

碳化硼陶瓷的应用

碳化硼有许多不同的应用。

碳化硼用作研磨剂和研磨剂。

粉末状碳化硼非常适合用作研磨剂和研磨剂，在加工超硬材料时具有高材料去除率。

碳化硼用于制造陶瓷喷嘴。

碳化硼具有极强的耐磨性，使其成为烧结后喷砂喷嘴的极佳材料。即使与极硬的磨蚀性喷砂剂一起使用例如刚玉和碳化硅，爆破力保持不变，磨损最小，喷嘴更耐用。

碳化硼用作防弹材料。

碳化硼提供与铠装钢和氧化铝相当的防弹保护，但重量要轻得多。现代军事装备除了重量轻外，还具有硬度高、抗压强度高和弹性模量高的特点。碳化硼优于此应用的所有其他替代材料。

碳化硼用作中子吸收剂。

在工程中，最重要的中子吸收剂是 B10，在核反应堆控制中用作碳化硼。

硼的原子结构使其成为一种有效的中子吸收剂。特别是 10B 同位素，其天然丰度的 20% 左右，具有高核横截面，可以捕获铀裂变反应产生的热中子。

用于中子吸收的核级碳化硼圆盘