碳化硼

最堅硬的三種材料之一

碳化硼(boron carbide ),別名黑鑽石,分子式為B₄C,通常為灰黑色微粉。是已知最堅硬的三種材料之一(其他兩種為金剛石、立方相氮化硼),用於坦克車的裝甲、避彈衣和很多工業應用品中。它的摩氏硬度為9.3。

它在19世紀作為金屬硼化物研究的副產品被發現,直到1930年代才被科學地研究。碳化硼可由電爐中用碳還原三氧化二硼製得。

碳化硼可以吸收大量的中子而不會形成任何放射性同位素,因此它在核能發電場里它是很理想的中子吸收劑,而中子吸收劑主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反應爐場里主要是做成可控制的棒狀,但有的時候會因為要增加表面積而把它製成粉末狀。

因具有密度低、強度大、高溫穩定性以及化學穩定性好的特點。在耐磨材料、陶瓷增強相,尤其在輕質裝甲,反應堆中子吸收劑等方面使用。此外,和金剛石和立方氮化硼相比,碳化硼製造容易、成本低廉,因而使用更加廣泛,在某些地方可以取代價格昂貴的金剛石、常見在磨削、研磨、鑽孔等方面的應用。

簡介


B4C的結構基元
B4C的結構基元
名稱
中文名稱:碳化硼
化學式
B4C,
相對分子質量
55.26
性狀
堅硬黑色有光澤晶體。硬度比工業金剛石低,但比碳化硅高。與大多數陶器相比,易碎性較低。具有大的熱能中子俘獲截面。抗化學作用強。不受熱氟化氫和硝酸的侵蝕。溶於熔化的鹼中,不溶於水和酸。相對密度(d204)2.508~2.512。熔點2350℃。沸點3500℃。
儲存
密封保存。
用途
防化學品陶器、耐磨工具製造。
質檢信息質檢項目指標值
質檢項目項目指標值
含量(B4C)≥90.0%
遊離炭及三氧化二硼和其它雜質總量≤10.0%

理化常數


名稱; 碳化硼
IUPAC英文名Boron carbide
別名B4-C、B4C、黑鑽石、一碳化四硼
CAS號12069-32-8
化學式B4C
摩爾質量55.255 g mol
外觀黑色粉狀
密度2.52 g/cm (固)
熔點2350 °C (2623.15 K)
沸點>3500 °C (>3773.15 K)
在水中的
溶解度
不可溶
晶體結構菱方
主要危險有害,刺激性

物理化學性質


與酸、鹼溶液不起反應,具有高化學位、中子吸收、耐磨及半導體導電性。是對酸最穩定的物質之一,在所有濃或稀的酸或鹼水溶液中都穩定。碳化硼在空氣環境下中800℃以下是基本穩定的,由於其在更高的溫度氧化形成的氧化硼呈氣相流失,導致其不穩定,氧化形成二氧化碳和三氧化二硼。
碳化硼
碳化硼
當有一些過渡金屬及其碳化物共存時,有特殊的穩定性。在1000~1100℃條件下元素周期表中第Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族過渡金屬與碳化硼粉末強烈反應形成金屬硼化物。不過,在更高的反應溫度下,文獻報道指出碳化硼容易氮化或者和過渡金屬氧化物反應,形成相應的氮化硼、以及硼化物,這種硼化物以稀土和鹼土金屬六硼化物為多。
氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀熔融時,碳化硼容易分解,並進行硼含量的測定。
它的摩氏硬度為9.3,並是繼金剛石、氮化硼、的已知第三種最硬的物質。(比碳化硅9.5低)
由於製備手段的因素,碳化硼容易形成碳缺陷,導致硼碳比在很大的範圍內變化而不影響其晶體結構,這往往導致其理化性能的降低。這種缺陷往往難以通過粉末衍射分辨,常常需要化學滴定以及能量損失譜確定。

製備


碳化硼最初在美國化學會志報道,是通過電爐中焦炭和氧化硼反應得到的,這種製備手段也是目前工業生產所採用的辦法。
2B2O3+7C=B4C+6CO

應用


控制核裂變

碳化硼可以吸收大量的中子而不會形成任何放射性同位素,因此它在核能發電場里他是很理想的中子吸收劑,而中子吸收劑主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反應爐場里主要是做成可控制的棒狀,但有的時候會因為要增加表面積而把它製成粉末狀。
1986年切爾諾貝利核事故時,俄羅斯投下了近2000噸碳化硼和沙子后,最終使反應堆中的鏈式反應停止。

研磨材料

由於碳化硼在很久以前它已經作為一種粗砂研磨材料。由於它本身熔點高,不易鑄成人工製品,但是通過高溫熔煉粉末,它可以加工成簡單的形狀。用於硬質合金、寶石等硬質材料的磨削、研磨、鑽孔及拋光。

塗層塗料

碳化硼還可以作為軍艦和直升機的陶瓷塗層,其重量輕並且有抵抗穿甲彈穿透熱壓塗層成整體防層的能力。

噴嘴

在軍火工業中可用作製造槍炮噴嘴。碳化硼,極硬又耐磨,與酸鹼不起反應,耐高/低溫,耐高壓,密度≥2.46g/cm3;顯微硬度≥3500kgf/mm2,抗彎強度≥400Mpa,熔點為2450℃。
因為碳化硼噴嘴具有的以上耐磨高硬度的特點,碳化硼噴砂嘴將逐漸取代已知的硬質合金/鎢鋼和碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等材質的噴砂嘴。

其他

碳化硼還用於金屬硼化物的製造以及冶鍊硼鈉、硼合金和特殊焊接等。

包裝及儲存


聚乙烯塑料盒包裝,貯存於清潔乾燥的庫房中。