第一節(jié) 碳化硼的簡介

碳化硼（boron carbide ），別名黑鉆石，分子式為B4C，通常為灰黑色微粉。是已知最堅(jiān)硬的三種材料之一（其他兩種為金剛石、立方相氮化硼），用于坦克車的裝甲、避彈衣和很多工業(yè)應(yīng)用品中。它的摩氏硬度為9.3。（立項(xiàng)報(bào)告）

第二節(jié) 碳化硼生產(chǎn)工藝技術(shù)的新發(fā)展

1、在粉末制備方面，目前最引人注目的是 研究 高純超細(xì)碳化硼粉體的制造技術(shù)。高純超細(xì)碳化硼粉體是制造碳化硼特種陶瓷必備的基礎(chǔ)材料，如碳化硼超細(xì)微粉、碳化硼納米粉、碳化硼核級粉、碳化硼纖維、碳化硼晶須、醫(yī)用碳化硼敷料等。高純超細(xì)碳化硼粉體的制造技術(shù)，能制備碳化硼達(dá)到用以往方法所不能加工的細(xì)度和純度，獲得超細(xì)高純度的碳化硼，對提高碳化硼陶瓷的生產(chǎn)效率，并使其壓制加工程序變得簡化、易行，有利于迅速發(fā)展碳化硼制品的生產(chǎn)。

此外，近幾年也有人 研究 借鑒溶解法制備粉末、化學(xué)氣相沉積法制備陶瓷粉末以及等離子體氣相反應(yīng)法等方法來制備碳化硼粉體，彌補(bǔ)粉體收集的難點(diǎn)。

總之，這幾年來碳化硼高純超細(xì)粉末制備技術(shù)有了較大的發(fā)展，但成本太高，粉末的質(zhì)量不夠穩(wěn)定仍需加強(qiáng) 研究 使這些問題得到很好解決。

2、在成型及燒結(jié)方面，目前碳化硼工程陶瓷制品一般采用保護(hù)氣氛下的熱壓燒結(jié)方法，但熱等靜壓法仍最為引人注目。該法與熱壓法相比能使物料受到各向同性的壓力，因而其瓷質(zhì)均勻，此外由于熱壓靜壓法可以施加幾千個(gè)大氣壓的高壓，這樣就使得要燒結(jié)的材料能在極低的溫度下得以燒結(jié)。另外碳化硼陶瓷常壓燒結(jié)得到理想的致密程度和機(jī)械性能也是目前在不斷 研究 的課題，它將是解決廉價(jià)生產(chǎn)碳化硼陶瓷和拓寬市場的關(guān)鍵市場。

3、碳化硼工程陶瓷的精密加工方面，目前采用的機(jī)械加工方法在要獲得高強(qiáng)度、高致密度、高幾何尺寸精度的碳化硼陶瓷制品仍有較大的難度，特別是制作各種形狀、各種尺寸和大規(guī)格碳化硼陶瓷制品更是難上加難。這方面的加工技術(shù)有待于進(jìn)一步的加以開發(fā) 研究 。

第三節(jié) 碳化硼 行業(yè) 市場發(fā)展 規(guī)模

碳化硼近二十年的發(fā)展很快，國內(nèi)年產(chǎn)量從40噸增長到4000噸，用途從單一的自由研磨發(fā)展到耐火、航空航天、化工治金、核工業(yè)和工程陶瓷等方面，發(fā)展迅速與現(xiàn)代高速發(fā)展科技技術(shù)有關(guān)，由此可知碳化硼還可能開拓出新的用途。

高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，有力地推動(dòng)了新材料開發(fā)和使用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，碳化硼也不例外，它是一種重要的無機(jī)非金屬材料，制造高純、超細(xì)的碳化硼粉末，以及納米級的碳化硼粉體、晶體和晶須等和加工碳化硼工程陶瓷制品將成為今后碳化硼發(fā)展的主要方向。

傳統(tǒng)陶瓷是以粘土為主要原料燒制而成，其主要成分為含硅酸鹽。工程陶瓷是由氧化物、碳化物、硼化物、硅化物或其它無機(jī)非金屬材料制成的陶瓷。碳化硼工程陶瓷以碳化硼為主要原料或陶瓷材料中摻入碳化硼與碳化硼纖維組成的復(fù)相纖維增強(qiáng)型陶瓷。它可以采用熱壓、等靜壓及氣相沉積等多種成型方法，碳化硼特種陶瓷由于其化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)于普通陶瓷，顯示出其特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、吸收中子、防彈和抗輻射、半導(dǎo)體特性等。碳化硼陶瓷可作為工程結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工、冶煉、醫(yī)學(xué)、激光、核反應(yīng)、宇航等方面。許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家在考慮新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向時(shí)選擇的基礎(chǔ)材料就有碳化硼，并投入大量人力、物力和財(cái)力 研究 開發(fā)碳化硼陶瓷制品。目前國內(nèi)碳化硼陶瓷的發(fā)展并不迅速，在技術(shù)上也有許多需要突破的關(guān)鍵。但是碳化硼陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，特別是在高技術(shù)、新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要。本世紀(jì)初許多科學(xué)家預(yù)言：碳化硼陶瓷在二十一世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，必定會(huì)占據(jù)十分重要的地位。

碳化硼近年來在應(yīng)用上引起人們的廣泛注意，以其優(yōu)異的性能成為超硬材料家族中的重要成員。

在碳化硼中，碳與硼都為非金屬元素，且原子半徑互相接近，其結(jié)合方式與一般間隙型化合物不同，正是這種特殊的結(jié)合方式使得碳化硼具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。作為結(jié)構(gòu)陶瓷的碳化硼，其最突出的性能是它的高硬度，僅次于金剛石與立方氮化硼，是超硬家族中重要的一員，可以廣泛用于制造裝甲材料、噴嘴、軸承、模具等。

2017年底全球碳化硼市場價(jià)值為1.137億美元，產(chǎn)量約8394噸。預(yù)計(jì)在2017至2027年間（預(yù)測期），全球碳化硼市場將以4.4％的年復(fù)合增長率擴(kuò)張，到2027年底市值將達(dá)1.745億美元；產(chǎn)品產(chǎn)量則將以3.9%的年復(fù)合增長率，到2027年底總量將至12342噸。

第四節(jié) 碳化硼的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1 磨料

B4C具有僅次于金剛石和CBN的高硬度，使其可作為一種很好的耐磨材料或減磨材料，用碳化硼取代金剛石磨料，用于硬質(zhì)合金與工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料，能夠顯著降低研磨過程的成本。還可以將B4C涂層涂覆在基體上，形成一層保護(hù)膜，提高基體的抗磨損性能。如在變速箱的齒輪表面涂覆B4C涂層可有效地提高齒輪的抗磨損性能，提高齒輪壽命。

2 防彈裝甲領(lǐng)域

碳化硼的高硬度，低密度使其成為防護(hù)材料的理想選擇，特別是適合在輕質(zhì)防護(hù)裝甲中使用，可有效提高飛機(jī)、軍用車輛、艦船以及人體的防護(hù)能力。然而，碳化硼較低的韌性嚴(yán)重地影響了它的防彈性能，目前材料工作者試圖通過添加第二相，如TiB2、SiC、TiC、WC、Si3N4和碳纖維來進(jìn)行增強(qiáng)，并取得了一定的效果。

3 核工業(yè)材料

碳化硼具有較高的中子吸收能力，其中子俘獲截面高，俘獲能譜寬，B10的熱截面高達(dá)3 47×10-24cm2，僅次于Gd、Sm、Cd等少數(shù)幾種元素，但碳化硼的造價(jià)低，不產(chǎn)生放射性同位素，二次射線能量低，而且耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好，因此在核工業(yè)中越來越受到青睞。其主要應(yīng)用包括：（1）將B104C粉與石墨粉混合制成硼碳磚，用于反應(yīng)堆外部，防止放射性物質(zhì)外泄；（2）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應(yīng)堆控制棒，控制反應(yīng)堆反應(yīng)速度；（3）將B104C粉高溫壓制成制品，做反應(yīng)堆的屏蔽材料，吸收放射性物質(zhì)；（4）采用常壓燒結(jié)工藝，將B104C粉末燒結(jié)成塊狀，用于反應(yīng)堆的屏蔽材料。

4 溫差電偶

利用B4C的熱電性，日本和德國燒結(jié)制備出可測2200℃的溫差電偶，用于高溫的測量與控制。它的高熱電性和穩(wěn)定性使其可長期可靠地使用。碳化硼/石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200 ℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關(guān)系良好。

5 用于其它工程陶瓷材料

碳化硼制作噴砂機(jī)用噴嘴、高壓水切割機(jī)噴嘴、密封環(huán)、陶瓷工模具等。特性：碳化硼噴嘴具有耐磨高硬度的特點(diǎn)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。另外，碳化硼在復(fù)合陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用：碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移動(dòng)阻力很大，較難獲得致密的燒結(jié)體，除一些特殊的場合，如微晶碳化硼氣體動(dòng)壓軸承材料、原子能反應(yīng)堆中用作中子吸收材料的碳化硼塊以外，通常用添加燒結(jié)助劑的方法改善碳化硼的燒結(jié)行為，獲得更為廉價(jià)、實(shí)用的碳化硼制品。更為值得注意的是，B4C—SiC復(fù)合陶瓷在降低碳化硼陶瓷燒結(jié)條件的同時(shí)，能較好地保持碳化硼陶瓷優(yōu)異的物理機(jī)械性能。B4C—SiC陶瓷被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的高溫耐蝕、耐磨材料，已在工業(yè)噴嘴、泵的密封以及熱擠壓模等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

近幾十年來，由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是電子技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切需要有特殊性能的材料。碳化硼因具有很多優(yōu)良的性能而成為特種陶瓷家族中的重要一員。目前有關(guān)碳化硼粉末的制備，碳化硼陶瓷材料的燒結(jié)的很多難題都已經(jīng)迎刃而解了。在未來的材料領(lǐng)域，碳化硼一定能以其優(yōu)異的性能而占據(jù)重要的地位。

6 碳化硼的電性能應(yīng)用

碳化硼—石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及兩者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關(guān)系良好。

7 碳化硼作為化學(xué)原料的應(yīng)用

碳化硼粉受鹵素活化，可用作鋼和其他合金的硼化劑在鋼表面滲硼，以生成硼化鐵薄層增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐磨性。碳化硼還可用作一些金屬基摩擦材料的非金屬添加劑。在還原—化合法制取硼化物粉末時(shí)，碳化硼作為硼源，可制得TiB2、ZrB2、CrB2等粉末，稱為制取粉末的“碳化硼法”。

8 碳化硼在藍(lán)寶石晶片（LED）中的應(yīng)用

近年來國家對于LED產(chǎn)業(yè)的大力扶持和推動(dòng)，使得LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢趨好，因而給生產(chǎn)和加工藍(lán)寶石晶體的企業(yè)帶來了很大的商機(jī)。由于藍(lán)寶石晶體的強(qiáng)度高、硬度大（莫氏硬度9）給加工企業(yè)帶來了很大的困難。從材料和研磨學(xué)界的角度來看，加工和研磨藍(lán)寶石晶體最好的材料是人造金剛石、碳化硼、二氧化硅。由于人造金剛石硬度過大（莫氏硬度10）在研磨藍(lán)寶石晶片時(shí)會(huì)對表面產(chǎn)生劃傷，影響晶片的透光度，并且價(jià)格昂貴。而二氧化硅硬度不夠（莫氏硬度7）、磨削力差在研磨工程中費(fèi)時(shí)、費(fèi)工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成為加工和研磨藍(lán)寶石晶體最理想的材料。碳化硼磨料在藍(lán)寶石晶片的雙面研磨和藍(lán)寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現(xiàn)。國家一些重點(diǎn)大學(xué)也針對碳化硼在研磨藍(lán)寶石晶體方面有主要 研究 ?？傊?，隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳化硼也將會(huì)迅速崛起。

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