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碳化硼的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：

2018-03-27 14:01

來源：

　　控制核裂變

　　碳化硼可以吸收大量的中子而不會(huì)形成任何放射性同位素，因此它在核能發(fā)電場(chǎng)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(yīng)爐場(chǎng)里主要是做成可控制的棒狀，但有的時(shí)候會(huì)因?yàn)橐黾颖砻娣e而把它制成粉末狀。

　　1986年切爾諾貝利核事故時(shí)，駐俄羅斯托祖克的一個(gè)前線航空兵團(tuán)被全部調(diào)往切爾諾貝利以東，從米-8到米-26各型直升機(jī)立即投入到空運(yùn)任務(wù)中。碳化硼耗盡后又開始投放普通沙子。隨著投放的進(jìn)展，飛行也變得容易得多。直升機(jī)投下了近2000噸碳化硼和沙子后，工程師終于宣布反應(yīng)堆內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止了，最終直升機(jī)的總運(yùn)量達(dá)5000噸。[1]

　　研磨材料

　　由于碳化硼是一種比碳化硅或碳化鎢還要硬的固體，在很久以前它已經(jīng)作為一種粗砂研磨材料。由于它本身熔點(diǎn)高，不易鑄成人工制品，但是通過高溫熔煉粉末，它可以加工成簡(jiǎn)單的形狀。用于硬質(zhì)合金、寶石等硬質(zhì)材料的磨削、研磨、鉆孔及拋光。

　　涂層涂料

　　碳化硼還可以作為軍艦和直升機(jī)的陶瓷涂層，其重量輕并且有抵抗穿甲彈穿透熱壓涂層成整體防層的能力。

　　噴嘴

　　在軍火工業(yè)中可用作制造槍炮噴嘴。碳化硼，極硬又耐磨，與酸堿不起反應(yīng)，耐高/低溫,耐高壓，密度≥2.46g/cm3;顯微硬度≥3500kgf/mm2，抗彎強(qiáng)度≥400Mpa，熔點(diǎn)為2450℃。因?yàn)樘蓟饑娮炀哂械囊陨夏湍ジ哂捕鹊奶攸c(diǎn),碳化硼噴砂嘴將逐漸取代已知的硬質(zhì)合金/鎢鋼和碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等材質(zhì)的噴砂嘴。

　　其他

　　碳化硼還用于金屬硼化物的制造以及冶煉硼鈉、硼合金和特殊焊接等。

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碳化硼的物理化學(xué)性質(zhì)

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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鸬牡兔芏龋诘玫捷^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(guó)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。

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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