碳化硼的物理化学性质




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碳化硼晶体为菱面体结构,晶格归于D3d5-R3m空间点阵。其菱面体结构如图7所示,可描述为一立方原胞点阵在空间对角线方向上延伸,在每一角上构成适当规则的二十面体。平行于空间对角线,就变成六方标志的c轴,由三个硼原子与相邻的二十面体互相衔接组成线性链。因此,单位晶胞包含12个二十面体方位,三个方位位于线性链上。假如B原子被认为是因为二十面体造成的方位,C原子看成处于线性链上,那么B12C3的化学核算即为B4C。 1、碳化硼的基本性质及其使用 1)低密度 B4C的密度较小,为2.52g/cm3。在匀相区内,密度和碳含量的关系可有经历公式(9)表明为: ρ=2.4224+0.00489C%(9) 因为碳化硼的低密度,在得到较高的致密度的情况下,其功能能够达到碳化硼的标准高强、高硬度等优良的功能,因而能够作为轻质装甲,以减轻坦克等车体重量,节约能耗。 2)硬度与耐磨性 B4C具有超硬度以及极高的耐磨性,在匀相区内,B4C的维氏硬度跟着C含量的添加而添加。当碳含量为10.6%时,硬度为29.1GPa;当碳含量为20%时,硬度21可达37.7GPa。在高温时其硬度仍然很高(>30GPa)。硬度随温度变化可由经历公式(10)表明: H=H0-exp(-aT)(10) 式中:H0—为常温时硬度; T—为温度; a—为与含碳有关的常数。 此公式适用于20~1700℃。需求指出的是,B4C是世界上最硬的资料之一,仅次于金刚石和立方BN。 B4C的耐磨性跟着温度的升高而添加,在20~1400℃范围内,冲突系数跟着温度升高而下降,在1400℃左右降到0.05,冲突率也不断降低。B4C以其超硬度和冲突特性已被用作喷沙嘴。金刚石的喷嘴以及水利喷射切割器的喷嘴,等耐磨资料;在军事上被广泛使用于坦克、飞机等的装甲资料[39,40];跟着技能的进步,高精度研磨的需求添加,B4C日益显现其优越性,近年来,其用量一直在不断添加,一起,B4C还能够用来研磨硬质合金、陶瓷及宝石硬质资料,冲突用游离磨料或超声波加工这些超硬资料用的磨料,可是同欧美比较我国在这方面用量还很少。 3)热膨胀系数及比热容 碳化硼熔点为2450℃,沸点为3000℃,热膨胀系数为5.73×10-6/℃(28~1770℃),比热容核算公式(11): C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2(11) 2、化学稳定性 碳化硼是最稳定的化合物之一,在600℃以下不易产生氧化反响;而温度在600℃以上时,因为外表氧化成B2O3薄膜,阻止了B4C的进一步被氧化。所以B4C现在被用作耐火资料中的抗氧化剂。常温下B4C一般不与化学试剂反响;800℃以上时B4C与Br构成三溴化合物;高温下B4C与金属氧化物反响生成金属硼化物和一氧化碳,所生成的FeB薄膜具有很高的显微硬度(HV=24GPa)和抗磨损度。所以B4C能够被用于钢铁及合金的硼化。


碳化硼是碳(C)和硼(B)化合物的总称,按照协作条件的不同生成B4C和B6C两种化合物,一般所说的碳化硼一般是指B4C。 一、碳化硼的根本性质 B4C属三方晶系,单位晶胞内有12个B原子和3个C原子,晶胞中C原子构成的联接立体对角线配备,C处于活动状态,可以被B原子所替代,构成置换固溶体,并有或许脱离晶格构成带有缺点的高硼化合物。 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,显微硬度50GPa左右,仅次于金刚石和立方氮化硼,因此B4C粉具有非常高的研磨才干,其研磨功率可以达到金刚石的60%-70%,高于SiC50%,是刚玉研磨才干的1-2倍。 B4C熔点2450℃(分化)。在1000℃间的膨胀系数为4.5×10-6℃-1。导热系数在100℃时为121.4W/m·k,700℃时为62.79W/m·k。B4C首要作磨料磨具,热压B4C制品可用来作耐磨损、耐热部件,在耐火材料行业,B4C首要用作添加物,如添加到碳结合耐火材料中起抗氧化剂的效果,添加到不定型材料中提高坯体的强度和耐侵蚀性等。 二、碳化硼的组成与典型功用 工业上常用的组成B4C粉末的方法是用过量的碳恢复硼酐: 2B2O3+7C→B4+6CO↑ 组成反应可以在电阻炉或电弧炉中进行,在电阻炉中组成时,在低于B4C的分化温度下加热硼酐B2O3与碳C和混合物,即可得到含有很少游离C的B4C(有时含有游离硼1%-2%),是一种较好的组成方法,在电弧炉中组成时,由于电弧温度恰当高,而B4C在2200℃左右即为分化为富碳相和硼,硼在高温时又会蒸腾而形成反应产品中含有大量游离C(20%-30%),故所得B4C的质量稍差。 以电弧炉组成B4C时一般选用硼酸(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%)为材料,按反应式核算理论用量,硼酸的参与量比理论用量高2%左右,人工石墨和石油焦各占碳总参与量的50%,再比理论用量高3%-4%即可,将配好的三种材料在球磨机中混合,参与到电弧炉中于1700-2300℃下进行恢复、碳化即可得到B4C,最后将熔块拣选并经洗涤、破碎、磨细、酸洗、沉降分级等工序即可得到各种粒度的B4C


近年来,牡丹江市活跃发展新资料工业,现已初具规模——有规上企业48户,占工业比重7%左右,产品首要包含硬质资料、特种纤维及复合资料、新式化工原料、新式建筑功用资料4大系列。 牡丹江矿藏资源储量丰厚,现已发现各类矿藏80种,已探明储量矿藏41种,占黑龙江省的47.1%,占全国的17.5%。具有丰厚的煤炭、油页岩等能源资源,铁、铜、金等金属资源,石墨、矽线石、硅灰石、方解石、石英砂、耐火粘土、玄武岩、花岗岩、珍珠岩、浮石、火山灰、大理石等非金属资源。 通过近年来的发展,牡丹江市新资料工业产品种类已由单一的碳化硼发展为碳化硅、碳化硼、工业硅、特种陶瓷资料及制成品等几十个种类。碳化硼粉体资料占国际市场的40%、国内市场的80%;工业制成品80%出口,占国际市场的15%、国内市场的80%。牡丹江是国际绿碳化硅粉体资料的最大出口基地,年出口量2万多吨,占国际市场的60%。牡丹江特种资料工业基地被认定为国家高新技能工业化基地,成为黑龙江省三个国家高新技能工业化基地之一。牡丹江市也是我省石墨重要的主产区,全市已探明石墨矿石储量达2.4亿吨,“十三五”期间将方案建设3个石墨深加工项目。 牡丹江还活跃推动新资料研发,已成为国家科技部确定的国家“863方案”特种资料工业基地。金钢钻碳化硼公司设有博士后流动工作站和省级企业技能中心。晨曦碳化硼公司与中国科学院上海硅酸盐研究所建立了产学研联盟。具有省造纸工业研究所、硬质合金研究所等多家研发组织。牡丹江师范学院新式碳基功用与超硬资料省重点实验室,现有博士、硕士33人,承担省部级以上科研项目25项,取得国家专利3项,首要从事金刚石膜及相关资料、低维资料、电子功用资料的应用研究。