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碳化硼的基本性质、合成及典型性能

发布日期: 2019-05-23 08:46:59    阅读量(141)    作者:张红

碳化硼是碳(C)和硼(B)化合物的总称。按照合作条件的不同可以生成B4C和B6C两种化合物,一般所说的碳化硼通常是指B4C。

一、碳化硼的基本性质

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原子构成的链按立体对角线配置,C处于活动状态,可以被B原子所代替,形成置换固溶体,并有可能脱离晶格形成带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,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能力,其研磨效率可达到金刚石的60%~70%,高于SiC50%,是刚玉研磨能力的1~2倍。

B4C熔点2450℃(分解)。在1000℃时尚能抵抗在空气中的氧化,但在氧化气氛中于900℃以上就很容易被氧化。B4C耐酸、碱腐蚀,并且不与大多数熔融金属润湿,有相当高的化学稳定性。

B4C在20~1000℃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主要用作磨料磨具,热压B4C制品可用来作耐磨损、耐热部件。在耐火材料行业,B4C主要用作添加物,如添加到碳结合耐火材料中起抗氧化剂的作用、添加到不定形材料中提高坯体的强度和耐侵蚀性等。

二、碳化硼的合成与典型性能

工业上常用的合成B4C粉末的方法是用过量的碳还原硼酐:

2B2O3+7C→B4+6CO↑

合成反应可以在电阻炉或电弧炉中进行。在电阻炉中合成时,在低于B4C的分解温度下加热硼酐B2O3与碳C的混合物,即可得到含有很少游离C的B4C(有时含有游离硼1%~2%),是一种较好的合成方法。在电弧炉中合成时,由于电弧温度相当高,而B4C在2200℃左右即分解为富碳相和硼,硼在高温时又会挥发而造成反应产物中含有大量游离C(20%~30%),故所得B4C的质量稍差。

以电弧炉合成B4C时通常采用硼酸(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%)为原料。按反应式计算理论用量,硼酸的加入量比理论用量高2%左右,人造石墨和石油焦各占碳总加入量的50%,再比理论用量高3%~4%即可。将配好的三种原料在球磨机中混合,加入到电弧炉中于1700~2300℃下进行还原、碳化即可得到B4C。最后将熔块捡选并经洗涤、破碎、磨细、酸洗、沉降分级等工序即可得到各种粒度的B4C。表1为市售B'的典型性能。

表1 B4C粉末典型性能

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