碳化硼制備方法及其應用

碳化硼制備方法及其應用

0碳化硼研磨法1858年首次發(fā)現(xiàn)碳氫化合物，并于1883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)異性能廣泛應用于寶石的研磨和拋光工序中。藍寶石是實際應用的半導體GaN/Al1碳鐵制備方法根據(jù)不同的反應原理、不同的原料和設備,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、機械化學法等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溫度低,充分利用化合反應所放出的熱量,以使反應持續(xù)進行,通常用助熔劑鎂。此方法的基本化學反應方程式:前蘇聯(lián)物理化學研究所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)點在于:反應快,反應所需溫度較低,節(jié)約能源,過程簡單,合成的碳化硼粉的純度較高。缺點在于:反應不均勻;顆粒粒度分布較寬;反應物中殘留的氧化鎂即使通過酸洗也很難徹底除去;氣壓對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數(shù)量級以上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用到工業(yè)生產中,經細化處理后發(fā)現(xiàn):d50≤1.0μm,B/C比在3.85~4.10范圍內,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構比較簡單,成本較低,并且該方已經在工業(yè)上大規(guī)模應用,因此操作比較成熟穩(wěn)定。但該法也有較大的缺陷:制備過程復雜、能耗大、生產能力較低,實際生產溫度高于理論合成溫度;碳化硼粉末的粒度大,作為燒結原料還需要破碎等;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,化學氣相沉積法又可分為:熱化學氣相反應法、熱絲法、等離子體氣相沉積法、激光誘導氣相沉積法、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氣相沉積法都是通過接近瞬時、均勻的加熱速率以獲取高純、超細的碳化硼粉末化學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;但制備碳化硼的產率低,制備過程中使用危險性的氣相原料,對設備的要求高,生產成本高,因此化學氣相沉積法不適合大批量生產碳化硼1.4直接制造方法直接制備法是將硼粉、碳粉混合,通保護氣體,在高溫下反應生成碳化硼。其反應方程式為:4B+C=B1.5氣流壓碎法氣流粉碎法即將粗粉在氣流粉碎機上進行強力粉碎,包括體積粉碎和表面粉碎。一般粗粉經三次粉碎后可獲得平均粒徑小于1μm的碳化硼粉末1.6經熱處理合成化合物溶膠凝膠法是將無機物或金屬醇鹽經過溶液、溶膠、凝膠而固化,再經熱處理合成化合物的方法。Sinha等溶膠凝膠法具有反應溫度低,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,但由于提供硼源的硼化物很難與其他物質形成凝膠,因此該方法很難廣泛應用1.7碳化硼-碳化硼法溶劑熱還原法是在相對較低的溫度下,在液相溶劑中,加入堿金屬作還原劑,從而制備碳化硼。Shi等該方法實現(xiàn)了碳化硼的低溫合成,且制得的碳化硼粉末超細;但制備過程是以堿金屬作還原劑,對反應設備和條件要求高,反應得到的碳化硼純度低1.8碳化硼粉末的制備機械化學法一項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,利用球磨機的轉動,使較硬的球磨介質對原料進行強烈撞擊、研磨和攪拌,使原料顆粒發(fā)生塑性變形,顯著降低物質的擴散激活能,在室溫下即可形成擴散/反應偶,在稍高于室溫的溫度下誘導化學反應來制備碳化硼粉末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用廣闊:碳化硼作為磨料,應用于工程陶瓷、寶石、硬質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、化學性質穩(wěn)定,可以用來制作火箭液體發(fā)動機燃料的流量變送器的軸尖或用作陶瓷氣體渦輪機中的耐腐蝕耐摩擦器件;碳化硼對鐵水穩(wěn)定性和導熱性好,可用作機械工業(yè)上的連續(xù)鑄模2.3碳化鉀用于電性能的應用運用碳化硼的熱電性,能夠制得碳化硼/石墨熱電偶2.4碳化硼用于化學原材的應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,以此來增強材料的強度和耐磨性3碳化硼研磨料的制備研磨廢料是藍寶石加工過程中產生的危險廢物,目前國內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雜、操作繁雜、能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計,每生產1噸碳化硼原料,需要消耗50000度電陳曉