碳化硼是碳(C)和硼(B)化合物的總稱,按照合作條件的不同生成B4C和B6C兩種化合物,一般所說的碳化硼通常是指B4C。
一、碳化硼的基本性質
B4C屬三方晶系,單位晶胞內有12個B原子和3個C原子,晶胞中C原子構成的連接立體對角線配置,C處于活動狀態,可以被B原子所代替,形成置換固溶體,并有可能脫離晶格形成帶有缺陷的高硼化合物。
B4C分子量52.25,含C21.74%,含B78.26%,通常呈灰暗色至黑色,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能力,其研磨效率可以達到金剛石的60%-70%,高于SiC50%,是剛玉研磨能力的1-2倍。
B4C熔點2450℃(分解)。在1000℃間的膨脹系數為4.5×10-6℃-1。導熱系數在100℃時為121.4W/m·k,700℃時為62.79W/m·k。B4C主要作磨料磨具,熱壓B4C制品可用來作耐磨損、耐熱部件,在耐火材料行業,B4C主要用作添加物,如添加到碳結合耐火材料中起抗氧化劑的作用,添加到不定型材料中提高坯體的強度和耐侵蝕性等。
二、碳化硼的合成與典型性能
工業上常用的合成B4C粉末的方法是用過量的碳還原硼酐:
2B2O3+7C→B4+6CO↑
合成反應可以在電阻爐或電弧爐中進行,在電阻爐中合成時,在低于B4C的分解溫度下加熱硼酐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%),是一種較好的合成方法,在電弧爐中合成時,由于電弧溫度相當高,而B4C在2200℃左右即為分解為富碳相和硼,硼在高溫時又會揮發而造成反應產物中含有大量游離C(20%-30%),故所得B4C的質量稍差。
以電弧爐合成B4C時通常采用硼酸(含量大于92%)、人造石墨(固定碳大于95%)和石油焦(固定碳大于85%)為原料,按反應式計算理論用量,硼酸的加入量比理論用量高2%左右,人造石墨和石油焦各占碳總加入量的50%,再比理論用量高3%-4%即可,將配好的三種原料在球磨機中混合,加入到電弧爐中于1700-2300℃下進行還原、碳化即可得到B4C,最后將熔塊揀選并經洗滌、破碎、磨細、酸洗、沉降分級等工序即可得到各種粒度的B4C,下圖為使市售B,的典型性能: