碳化硼的基本性质和性能优势

碳化硼是一种无机物，又被称为黑钻石，碳化硼的颜色呈灰黑色。是已知最坚硬的三种资料之一。碳化硼具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特性。那么碳化硼的晶体构造及性能有哪些呢？

碳化硼的晶体构造

碳化硼晶体为菱面体结构，晶格属于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，在每一角上形成相当规则的二十面体。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连接组成线性链。因此，单位晶胞包含12个二十面体位置，三个位置位于线性链上。如果B原子被认为是由于二十面体造成的位置，C原子看成处于线性链上，那么B12C3的化学计算即为B4C。

碳化硼的基本性质

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验公式表示为：

ρ=2.4224+0.00489C%

由于碳化硼的低密度，在得到较高的致密度的情况下，其性能可以达到碳化硼的标准高强、高硬度等优良的性能，因而可以作为轻质装甲，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的维氏硬度随着C含量的增加而增加。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验公式表示：

H=H0-exp(-aT)

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℃。需要指出的是，B4C是世界上最硬的材料之一，仅次于金刚石和立方BN。

B4C的耐磨性随着温度的升高而增加，在20~1400℃范围内，摩擦系数随着温度升高而下降，在1400℃左右降到0.05，摩擦率也不断降低。B4C以其超硬度和摩擦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，等耐磨材料；在军事上被广泛应用于坦克、飞机等的装甲材料；随着技术的进步，高精度研磨的需求增加，B4C日益显示其优越性，近年来，其用量一直在不断增加，同时，B4C还可以用来研磨硬质合金、陶瓷及宝石硬质材料，摩擦用游离磨料或超声波加工这些超硬材料用的磨料，但是同欧美相比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℃)，比热容计算公式：

C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2

4.化学稳定性

碳化硼是最稳定的化合物之一，在600℃以下不易发生氧化反应；而温度在600℃以上时，由于表面氧化成B2O3薄膜，阻止了B4C的进一步被氧化。所以B4C现在被用作耐火材料中的抗氧化剂。常温下B4C一般不与化学试剂反应；800℃以上时B4C与Br形成三溴化合物；高温下B4C与金属氧化物反应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可以被用于钢铁及合金的硼化。

碳化硼的性能优势

1、碳化硼最重要的性能在于其超凡的硬度(莫氏硬度为9.3)，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，是理想的高温耐磨资料；

2、碳化硼密度很小，是陶瓷资料中最轻的，可用于航天航空范畴；

3、碳化硼的中子吸收才干很强，相关于纯元素B和Cd来说，造价低、耐腐蚀性好、热稳定性好，普遍用于核工业，碳化硼中子吸收才干还能够经过添加B元素而进一步改善；

4、碳化硼的化学性能优秀，在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反响，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有迟缓的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一；

5、碳化硼还具有高熔点、高弹性模量、低收缩系数和良好的氧气吸收才干等优点；

6、碳化硼还是p型半导体资料，即便在很高的温度下也可坚持半导体特性。