碳化硼制備方法及其應(yīng)用

碳化硼制備方法及其應(yīng)用

0碳化硼研磨法1858年首次發(fā)現(xiàn)碳?xì)浠衔铮⒂?883年獲得b。碳化硼具有一系列優(yōu)良的性能:莫氏硬度為9.3,顯微硬度為55~67GPa,僅次于金剛石和立方氮化硼;密度低,理論密度為2.52×10碳化硼以其優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于寶石的研磨和拋光工序中。藍(lán)寶石是實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al1碳鐵制備方法根據(jù)不同的反應(yīng)原理、不同的原料和設(shè)備,將碳化硼的制備方法分為如下幾類:高溫自蔓延合成法、碳管爐或電弧爐碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積法、直接制備法、氣流粉碎法、溶膠凝膠法、溶劑熱還原法、機(jī)械化學(xué)法等1.1碳化硼自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法所需的反應(yīng)溫度低,充分利用化合反應(yīng)所放出的熱量,以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,通常用助熔劑鎂。此方法的基本化學(xué)反應(yīng)方程式:前蘇聯(lián)物理化學(xué)研究所Merzhahov等人成功制備出多種高純度的碳化硼粉末自蔓延高溫合成法的優(yōu)點(diǎn)在于:反應(yīng)快,反應(yīng)所需溫度較低,節(jié)約能源,過程簡單,合成的碳化硼粉的純度較高。缺點(diǎn)在于:反應(yīng)不均勻;顆粒粒度分布較寬;反應(yīng)物中殘留的氧化鎂即使通過酸洗也很難徹底除去;氣壓對(duì)碳化硼的粒度有顯著影響。張化宇等的研究表明碳化硼的晶粒尺寸受氣壓的影響較大,常壓下合成的碳化硼晶粒要比高壓下合成的碳化硼晶粒尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上1.2碳管爐或電弧爐碳熱還原法是目前工業(yè)上生產(chǎn)碳化硼的主要方法。該方法是將硼酸或硼酐與碳粉均勻混合后放入碳管爐或電弧爐中,通保護(hù)氣體,碳作為還原劑,在一定溫度下合成碳化硼粉末。其基本的化學(xué)方程式為:石墨的電極工作原理不同,電弧爐可分為立式冶煉爐和臥式冶煉爐,其中立式冶煉爐的石墨電極弧光深度大,產(chǎn)生的冶煉高溫區(qū)面積大,爐料冶煉充分目前我國牡丹江磨料廠將碳熱還原法應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中,經(jīng)細(xì)化處理后發(fā)現(xiàn):d50≤1.0μm,B/C比在3.85~4.10范圍內(nèi),碳化硼含量在96%以上碳熱還原法所涉及碳管爐或電弧爐的結(jié)構(gòu)比較簡單,成本較低,并且該方已經(jīng)在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用,因此操作比較成熟穩(wěn)定。但該法也有較大的缺陷:制備過程復(fù)雜、能耗大、生產(chǎn)能力較低,實(shí)際生產(chǎn)溫度高于理論合成溫度;碳化硼粉末的粒度大,作為燒結(jié)原料還需要破碎等;制得的碳化硼純度低,這是由于電弧的溫度很高,爐內(nèi)中心區(qū)溫度高,偏離中心區(qū)的溫度低;中心區(qū)的碳化硼可能由于此處的溫度高于其熔點(diǎn)而發(fā)生包晶分解,從而析出游離碳和其他高硼化合物;而偏離中心的爐區(qū),溫度低,反應(yīng)不充分,殘留氧化硼和碳等1.3等熱絲法根據(jù)過程不同,化學(xué)氣相沉積法又可分為:熱化學(xué)氣相反應(yīng)法、熱絲法、等離子體氣相沉積法、激光誘導(dǎo)氣相沉積法、同步加熱輻照法等熱絲法是在含有C等離子體氣相沉積法和激光誘導(dǎo)氣相沉積法都是通過接近瞬時(shí)、均勻的加熱速率以獲取高純、超細(xì)的碳化硼粉末化學(xué)氣相沉積法方法具有污染小,可制得高純度的碳化硼粉末等優(yōu)點(diǎn);但制備碳化硼的產(chǎn)率低,制備過程中使用危險(xiǎn)性的氣相原料,對(duì)設(shè)備的要求高,生產(chǎn)成本高,因此化學(xué)氣相沉積法不適合大批量生產(chǎn)碳化硼1.4直接制造方法直接制備法是將硼粉、碳粉混合,通保護(hù)氣體,在高溫下反應(yīng)生成碳化硼。其反應(yīng)方程式為:4B+C=B1.5氣流壓碎法氣流粉碎法即將粗粉在氣流粉碎機(jī)上進(jìn)行強(qiáng)力粉碎,包括體積粉碎和表面粉碎。一般粗粉經(jīng)三次粉碎后可獲得平均粒徑小于1μm的碳化硼粉末1.6經(jīng)熱處理合成化合物溶膠凝膠法是將無機(jī)物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化,再經(jīng)熱處理合成化合物的方法。Sinha等溶膠凝膠法具有反應(yīng)溫度低,碳、硼的混合均勻,硼源的損失少,合成的碳化硼粒度小等優(yōu)點(diǎn),但由于提供硼源的硼化物很難與其他物質(zhì)形成凝膠,因此該方法很難廣泛應(yīng)用1.7碳化硼-碳化硼法溶劑熱還原法是在相對(duì)較低的溫度下,在液相溶劑中,加入堿金屬作還原劑,從而制備碳化硼。Shi等該方法實(shí)現(xiàn)了碳化硼的低溫合成,且制得的碳化硼粉末超細(xì);但制備過程是以堿金屬作還原劑,對(duì)反應(yīng)設(shè)備和條件要求高,反應(yīng)得到的碳化硼純度低1.8碳化硼粉末的制備機(jī)械化學(xué)法一項(xiàng)新型制備碳化硼的方法。它是以氧化硼粉、鎂粉和石墨粉為原料,利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),使較硬的球磨介質(zhì)對(duì)原料進(jìn)行強(qiáng)烈撞擊、研磨和攪拌,使原料顆粒發(fā)生塑性變形,顯著降低物質(zhì)的擴(kuò)散激活能,在室溫下即可形成擴(kuò)散/反應(yīng)偶,在稍高于室溫的溫度下誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)來制備碳化硼粉末2碳化鉀的使用2.1碳化硼用于原子能研究碳化硼中子吸收截面高,吸收中子的能譜寬,常用于核反應(yīng)堆的中子吸收材料2.2碳化硼帶孔隙率高的燃料親水性材料和使用碳化硼在材料方面應(yīng)用廣闊:碳化硼作為磨料,應(yīng)用于工程陶瓷、寶石、硬質(zhì)合金等的研磨和拋光等;碳化硼硬度高,可用于制作噴砂嘴及高壓噴水切割的噴嘴;碳化硼耐腐蝕性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可以用來制作火箭液體發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的流量變送器的軸尖或用作陶瓷氣體渦輪機(jī)中的耐腐蝕耐摩擦器件;碳化硼對(duì)鐵水穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好,可用作機(jī)械工業(yè)上的連續(xù)鑄模2.3碳化鉀用于電性能的應(yīng)用運(yùn)用碳化硼的熱電性,能夠制得碳化硼/石墨熱電偶2.4碳化硼用于化學(xué)原材的應(yīng)用碳化硼粉受鹵素活化后可用作鋼或其他合金的硼化劑,在鋼表面滲硼以生成硼化鐵薄層,以此來增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐磨性3碳化硼研磨料的制備研磨廢料是藍(lán)寶石加工過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物,目前國內(nèi)尚無有效的回收處理方法,這些廢料無法妥善處理只能丟棄,這樣就使大量的碳化硼損失。而傳統(tǒng)碳化硼的制備方法復(fù)雜、操作繁雜、能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì),每生產(chǎn)1噸碳化硼原料,需要消耗50000度電陳曉