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碳化硼的物理化學(xué)性質(zhì)

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2018-03-27 13:59

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碳化硼晶體為菱面體結(jié)構(gòu)，晶格歸于D3d5-R3m空間點(diǎn)陣。其菱面體結(jié)構(gòu)如圖7所示，可描述為一立方原胞點(diǎn)陣在空間對(duì)角線方向上延伸，在每一角上構(gòu)成適當(dāng)規(guī)則的二十面體。平行于空間對(duì)角線，就變成六方標(biāo)志的c軸，由三個(gè)硼原子與相鄰的二十面體互相銜接組成線性鏈。因此，單位晶胞包含12個(gè)二十面體方位，三個(gè)方位位于線性鏈上。假如B原子被認(rèn)為是因?yàn)槎骟w造成的方位，C原子看成處于線性鏈上，那么B12C3的化學(xué)核算即為B4C。 1、碳化硼的基本性質(zhì)及其使用 1)低密度 B4C的密度較小，為2.52g/cm3。在勻相區(qū)內(nèi)，密度和碳含量的關(guān)系可有經(jīng)歷公式(9)表明為： ρ=2.4224+0.00489C%(9) 因?yàn)樘蓟鸬牡兔芏?，在得到較高的致密度的情況下，其功能能夠達(dá)到碳化硼的標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)、高硬度等優(yōu)良的功能，因而能夠作為輕質(zhì)裝甲，以減輕坦克等車體重量，節(jié)約能耗。 2)硬度與耐磨性 B4C具有超硬度以及極高的耐磨性，在勻相區(qū)內(nèi)，B4C的維氏硬度跟著C含量的添加而添加。當(dāng)碳含量為10.6%時(shí)，硬度為29.1GPa;當(dāng)碳含量為20%時(shí)，硬度21可達(dá)37.7GPa。在高溫時(shí)其硬度仍然很高(>30GPa)。硬度隨溫度變化可由經(jīng)歷公式(10)表明： H=H0-exp(-aT)(10) 式中：H0—為常溫時(shí)硬度； T—為溫度； a—為與含碳有關(guān)的常數(shù)。 此公式適用于20~1700℃。需求指出的是，B4C是世界上最硬的資料之一，僅次于金剛石和立方BN。 B4C的耐磨性跟著溫度的升高而添加，在20~1400℃范圍內(nèi)，沖突系數(shù)跟著溫度升高而下降，在1400℃左右降到0.05，沖突率也不斷降低。B4C以其超硬度和沖突特性已被用作噴沙嘴。金剛石的噴嘴以及水利噴射切割器的噴嘴，等耐磨資料；在軍事上被廣泛使用于坦克、飛機(jī)等的裝甲資料[39,40];跟著技能的進(jìn)步，高精度研磨的需求添加，B4C日益顯現(xiàn)其優(yōu)越性，近年來，其用量一直在不斷添加，一起，B4C還能夠用來研磨硬質(zhì)合金、陶瓷及寶石硬質(zhì)資料，沖突用游離磨料或超聲波加工這些超硬資料用的磨料，可是同歐美比較我國在這方面用量還很少。 3)熱膨脹系數(shù)及比熱容 碳化硼熔點(diǎn)為2450℃，沸點(diǎn)為3000℃，熱膨脹系數(shù)為5.73×10-6/℃(28~1770℃)，比熱容核算公式(11)： C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2(11) 2、化學(xué)穩(wěn)定性 碳化硼是最穩(wěn)定的化合物之一，在600℃以下不易產(chǎn)生氧化反響；而溫度在600℃以上時(shí)，因?yàn)橥獗硌趸葿2O3薄膜，阻止了B4C的進(jìn)一步被氧化。所以B4C現(xiàn)在被用作耐火資料中的抗氧化劑。常溫下B4C一般不與化學(xué)試劑反響；800℃以上時(shí)B4C與Br構(gòu)成三溴化合物；高溫下B4C與金屬氧化物反響生成金屬硼化物和一氧化碳，所生成的FeB薄膜具有很高的顯微硬度(HV=24GPa)和抗磨損度。所以B4C能夠被用于鋼鐵及合金的硼化。

碳化硼是碳（C）和硼（B）化合物的總稱，按照協(xié)作條件的不同生成B4C和B6C兩種化合物，一般所說的碳化硼一般是指B4C。 一、碳化硼的根本性質(zhì) B4C屬三方晶系，單位晶胞內(nèi)有12個(gè)B原子和3個(gè)C原子，晶胞中C原子構(gòu)成的聯(lián)接立體對(duì)角線配備，C處于活動(dòng)狀態(tài)，可以被B原子所替代，構(gòu)成置換固溶體，并有或許脫離晶格構(gòu)成帶有缺點(diǎn)的高硼化合物。 B4C分子量52.25，含C21.74%，含B78.26%，一般呈灰暗色至黑色，密度2.519g/cm3，莫氏硬度9.36，顯微硬度50GPa左右，僅次于金剛石和立方氮化硼，因此B4C粉具有非常高的研磨才干，其研磨功率可以達(dá)到金剛石的60%-70%，高于SiC50%,是剛玉研磨才干的1-2倍。 B4C熔點(diǎn)2450℃（分化）。在1000℃間的膨脹系數(shù)為4.5×10-6℃-1。導(dǎo)熱系數(shù)在100℃時(shí)為121.4W/m·k，700℃時(shí)為62.79W/m·k。B4C首要作磨料磨具，熱壓B4C制品可用來作耐磨損、耐熱部件，在耐火材料行業(yè)，B4C首要用作添加物，如添加到碳結(jié)合耐火材料中起抗氧化劑的效果，添加到不定型材料中提高坯體的強(qiáng)度和耐侵蝕性等。 二、碳化硼的組成與典型功用 工業(yè)上常用的組成B4C粉末的方法是用過量的碳恢復(fù)硼酐： 2B2O3+7C→B4+6CO↑ 組成反應(yīng)可以在電阻爐或電弧爐中進(jìn)行，在電阻爐中組成時(shí)，在低于B4C的分化溫度下加熱硼酐B2O3與碳C和混合物，即可得到含有很少游離C的B4C（有時(shí)含有游離硼1%-2%），是一種較好的組成方法，在電弧爐中組成時(shí)，由于電弧溫度恰當(dāng)高，而B4C在2200℃左右即為分化為富碳相和硼，硼在高溫時(shí)又會(huì)蒸騰而形成反應(yīng)產(chǎn)品中含有大量游離C（20%-30%），故所得B4C的質(zhì)量稍差。 以電弧爐組成B4C時(shí)一般選用硼酸（含量大于92%）、人工石墨（固定碳大于95%）和石油焦（固定碳大于85%）為材料，按反應(yīng)式核算理論用量，硼酸的參與量比理論用量高2%左右，人工石墨和石油焦各占碳總參與量的50%，再比理論用量高3%-4%即可，將配好的三種材料在球磨機(jī)中混合，參與到電弧爐中于1700-2300℃下進(jìn)行恢復(fù)、碳化即可得到B4C,最后將熔塊揀選并經(jīng)洗滌、破碎、磨細(xì)、酸洗、沉降分級(jí)等工序即可得到各種粒度的B4C

近年來，牡丹江市活躍發(fā)展新資料工業(yè)，現(xiàn)已初具規(guī)?！幸?guī)上企業(yè)48戶，占工業(yè)比重7%左右，產(chǎn)品首要包含硬質(zhì)資料、特種纖維及復(fù)合資料、新式化工原料、新式建筑功用資料4大系列。 牡丹江礦藏資源儲(chǔ)量豐厚，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)各類礦藏80種，已探明儲(chǔ)量礦藏41種，占黑龍江省的47.1%，占全國的17.5%。具有豐厚的煤炭、油頁巖等能源資源，鐵、銅、金等金屬資源，石墨、矽線石、硅灰石、方解石、石英砂、耐火粘土、玄武巖、花崗巖、珍珠巖、浮石、火山灰、大理石等非金屬資源。 通過近年來的發(fā)展，牡丹江市新資料工業(yè)產(chǎn)品種類已由單一的碳化硼發(fā)展為碳化硅、碳化硼、工業(yè)硅、特種陶瓷資料及制成品等幾十個(gè)種類。碳化硼粉體資料占國際市場(chǎng)的40%、國內(nèi)市場(chǎng)的80%；工業(yè)制成品80%出口，占國際市場(chǎng)的15%、國內(nèi)市場(chǎng)的80%。牡丹江是國際綠碳化硅粉體資料的最大出口基地，年出口量2萬多噸，占國際市場(chǎng)的60%。牡丹江特種資料工業(yè)基地被認(rèn)定為國家高新技能工業(yè)化基地，成為黑龍江省三個(gè)國家高新技能工業(yè)化基地之一。牡丹江市也是我省石墨重要的主產(chǎn)區(qū)，全市已探明石墨礦石儲(chǔ)量達(dá)2.4億噸，“十三五”期間將方案建設(shè)3個(gè)石墨深加工項(xiàng)目。 牡丹江還活躍推動(dòng)新資料研發(fā)，已成為國家科技部確定的國家“863方案”特種資料工業(yè)基地。金鋼鉆碳化硼公司設(shè)有博士后流動(dòng)工作站和省級(jí)企業(yè)技能中心。晨曦碳化硼公司與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所建立了產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟。具有省造紙工業(yè)研究所、硬質(zhì)合金研究所等多家研發(fā)組織。牡丹江師范學(xué)院新式碳基功用與超硬資料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)有博士、碩士33人，承擔(dān)省部級(jí)以上科研項(xiàng)目25項(xiàng)，取得國家專利3項(xiàng)，首要從事金剛石膜及相關(guān)資料、低維資料、電子功用資料的應(yīng)用研究。