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碳化硼的應用




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碳化硼晶體為菱面體結構,晶格歸于D3d5-R3m空間點陣。其菱面體結構如圖7所示,可描述為一立方原胞點陣在空間對角線方向上延伸,在每一角上構成適當規(guī)則的二十面體。平行于空間對角線,就變成六方標志的c軸,由三個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個二十面體方位,三個方位位于線性鏈上。假如B原子被認為是因為二十面體造成的方位,C原子看成處于線性鏈上,那么B12C3的化學核算即為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),密度和碳含量的關系可有經(jīng)歷公式(9)表明為: ρ=2.4224+0.00489C%(9) 因為碳化硼的低密度,在得到較高的致密度的情況下,其功能能夠達到碳化硼的標準高強、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。當碳含量為10.6%時,硬度為29.1GPa;當碳含量為20%時,硬度21可達37.7GPa。在高溫時其硬度仍然很高(>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—為常溫時硬度; T—為溫度; a—為與含碳有關的常數(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、飛機等的裝甲資料[39,40];跟著技能的進步,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 碳化硼熔點為2450℃,沸點為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,因為外表氧化成B2O3薄膜,阻止了B4C的進一步被氧化。所以B4C現(xiàn)在被用作耐火資料中的抗氧化劑。常溫下B4C一般不與化學試劑反響;800℃以上時B4C與Br構成三溴化合物;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B原子和3個C原子,晶胞中C原子構成的聯(lián)接立體對角線配備,C處于活動狀態(tài),可以被B原子所替代,構成置換固溶體,并有或許脫離晶格構成帶有缺點的高硼化合物。 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,其研磨功率可以達到金剛石的60%-70%,高于SiC50%,是剛玉研磨才干的1-2倍。 B4C熔點2450℃(分化)。在1000℃間的膨脹系數(shù)為4.5×10-6℃-1。導熱系數(shù)在100℃時為121.4W/m·k,700℃時為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硼酐: 2B2O3+7C→B4+6CO↑ 組成反應可以在電阻爐或電弧爐中進行,在電阻爐中組成時,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,由于電弧溫度恰當高,而B4C在2200℃左右即為分化為富碳相和硼,硼在高溫時又會蒸騰而形成反應產(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中混合,參與到電弧爐中于1700-2300℃下進行恢復、碳化即可得到B4C,最后將熔塊揀選并經(jīng)洗滌、破碎、磨細、酸洗、沉降分級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。 牡丹江礦藏資源儲量豐厚,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)各類礦藏80種,已探明儲量礦藏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種類。碳化硼粉體資料占國際市場的40%、國內(nèi)市場的80%;工業(yè)制成品80%出口,占國際市場的15%、國內(nèi)市場的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,占國際市場的60%。牡丹江特種資料工業(yè)基地被認定為國家高新技能工業(yè)化基地,成為黑龍江省三個國家高新技能工業(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量達2.4億噸,“十三五”期間將方案建設3個石墨深加工項目。 牡丹江還活躍推動新資料研發(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有博士后流動工作站和省級企業(yè)技能中心。晨曦碳化硼公司與中國科學院上海硅酸鹽研究所建立了產(chǎn)學研聯(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。牡丹江師范學院新式碳基功用與超硬資料省重點實驗室,現(xiàn)有博士、碩士33人,承擔省部級以上科研項目25項,取得國家專利3項,首要從事金剛石膜及相關資料、低維資料、電子功用資料的應用研究。