碳化硼(B4C)的加工——工艺、应用和效益

碳化硼的化学式为B_4.是人类已知的第三硬材料。第一和第二分别是金刚石和立方氮化硼。碳化硼粉是由碳与三氧化硼(B_2.O_3.)．

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加工碳化硼

在所有这些需要高精度工程部件的应用中，重要的是要认识到加工碳化硼的困难。尽管它显示的硬度值很高，但它仍然是一种相对脆性的材料，只能使用金刚石磨削技术加工。

因此，有经验的熟练操作员进行加工操作是有益的，因为不正确的程序可能会产生亚表面损伤和微裂纹，一旦组件在使用中受到操作应力，可能导致过早失效。

碳化硼的种类

亨利·莫瓦桑，通过氧化硼和碳的反应和熔合，于1899年在电弧炉中首次合成了碳化硼。熔化的材料变得非常富含碳，它是由碳化硼和石墨组成的凝固。在商业用途中，碳化硼粉末被磨碎并提纯以除去任何残余的金属杂质。

纯碳化硼很难烧结到高密度，烧结过程中需要使用烧结助剂。要达到超过理论密度95%的密度，需要热压或烧结HIPing，但即使使用这些过程，少量的掺杂剂，如细碳或碳化硅，也需要达到完全致密。

碳化硼的关键性能

碳化硼的物理和化学特性使其成为许多工业用途的理想材料。包括:；

• 硬度高
• 高熔点
• 高杨氏模量(它是一种非常坚硬的材料)
• 热膨胀率和导电性较低

然而，碳化硼的缺点之一是它在500℃以上开始氧化°C与碳化硅不同，碳化硅在碳化硅中形成一层二氧化硅的氧化层，阻止高温氧化。此外，由于碳化硼的导热系数相对较低，其抗热震性较差。

由于它经常被考虑与碳化硅一起应用，所以比较碳化硼和碳化硅在热压无孔条件下的典型性能是有用的，如下表所示;

表1。碳化硼和碳化硅的性能比较。

财产	单位	碳化硅	B4.C
密度	克/厘米3.	3.21	2.51
熔点	°C	2,760	2，450
硬度	维氏	2,600	3，000
抗压强度	MPa	2200年	2800年
杨氏模量	平均成绩	410	450
断裂韧性	K IC MPam1／2	3．2	3．0
电阻率	欧姆米	103.－104.	10-103.
热膨胀系数	10－6K－1	4	4.6
热导率	西医－1K－1	110	35
抗热震性	-	好	贫穷的
使用温度(空气中)	°C最大值	1,600	500

来源:SiC和B4C陶瓷的产品开发，P Feinle, H Knoch，第三届欧洲工程陶瓷研讨会，Ed. FL Riley, Elsevier, 1991

碳化硼的主要应用

设计者或工程师感兴趣的碳化硼的关键性能是硬度和相关的耐磨性。

最佳利用这些特性的一个典型例子是喷砂和水射流切割领域，其中碳化硼喷嘴用于承受喷砂介质（如氧化铝或碳化硅砂砾和泥浆）产生的剧烈磨损。几项试验表明，在类似的爆破条件下，碳化硼喷嘴比典型的硬质金属碳化钨喷嘴寿命长100倍。

这些品质也导致碳化硼被用于高精度模具和类似的工程部件。

碳化硼也被发现在个人和车辆的反弹道装甲镀层中，低密度和高杨氏模量的组合是有吸引力的品质，提供高的比阻止能力，以击败高速弹丸。

在核领域，碳化硼吸收中子的能力使其成为核电站吸收中子辐射的常用材料。碳化硼用于屏蔽，作为核反应堆的控制棒和核电站的关闭球。

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