碳化硼制备方法及其应用

碳化硼制备方法及其应用

0碳化硼研磨法1858年首次发现碳氢化合物，并于1883年获得b。碳化硼具有一系列优良的性能:莫氏硬度为9.3,显微硬度为55~67GPa,仅次于金刚石和立方氮化硼;密度低,理论密度为2.52×10碳化硼以其优异性能广泛应用于宝石的研磨和抛光工序中。蓝宝石是实际应用的半导体GaN/Al1碳铁制备方法根据不同的反应原理、不同的原料和设备,将碳化硼的制备方法分为如下几类:高温自蔓延合成法、碳管炉或电弧炉碳热还原法、化学气相沉积法、直接制备法、气流粉碎法、溶胶凝胶法、溶剂热还原法、机械化学法等1.1碳化硼自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法所需的反应温度低,充分利用化合反应所放出的热量,以使反应持续进行,通常用助熔剂镁。此方法的基本化学反应方程式:前苏联物理化学研究所Merzhahov等人成功制备出多种高纯度的碳化硼粉末自蔓延高温合成法的优点在于:反应快,反应所需温度较低,节约能源,过程简单,合成的碳化硼粉的纯度较高。缺点在于:反应不均匀;颗粒粒度分布较宽;反应物中残留的氧化镁即使通过酸洗也很难彻底除去;气压对碳化硼的粒度有显著影响。张化宇等的研究表明碳化硼的晶粒尺寸受气压的影响较大,常压下合成的碳化硼晶粒要比高压下合成的碳化硼晶粒尺寸小一个数量级以上1.2碳管炉或电弧炉碳热还原法是目前工业上生产碳化硼的主要方法。该方法是将硼酸或硼酐与碳粉均匀混合后放入碳管炉或电弧炉中,通保护气体,碳作为还原剂,在一定温度下合成碳化硼粉末。其基本的化学方程式为:石墨的电极工作原理不同,电弧炉可分为立式冶炼炉和卧式冶炼炉,其中立式冶炼炉的石墨电极弧光深度大,产生的冶炼高温区面积大,炉料冶炼充分目前我国牡丹江磨料厂将碳热还原法应用到工业生产中,经细化处理后发现:d50≤1.0μm,B/C比在3.85~4.10范围内,碳化硼含量在96%以上碳热还原法所涉及碳管炉或电弧炉的结构比较简单,成本较低,并且该方已经在工业上大规模应用,因此操作比较成熟稳定。但该法也有较大的缺陷:制备过程复杂、能耗大、生产能力较低,实际生产温度高于理论合成温度;碳化硼粉末的粒度大,作为烧结原料还需要破碎等;制得的碳化硼纯度低,这是由于电弧的温度很高,炉内中心区温度高,偏离中心区的温度低;中心区的碳化硼可能由于此处的温度高于其熔点而发生包晶分解,从而析出游离碳和其他高硼化合物;而偏离中心的炉区,温度低,反应不充分,残留氧化硼和碳等1.3等热丝法根据过程不同,化学气相沉积法又可分为:热化学气相反应法、热丝法、等离子体气相沉积法、激光诱导气相沉积法、同步加热辐照法等热丝法是在含有C等离子体气相沉积法和激光诱导气相沉积法都是通过接近瞬时、均匀的加热速率以获取高纯、超细的碳化硼粉末化学气相沉积法方法具有污染小,可制得高纯度的碳化硼粉末等优点;但制备碳化硼的产率低,制备过程中使用危险性的气相原料,对设备的要求高,生产成本高,因此化学气相沉积法不适合大批量生产碳化硼1.4直接制造方法直接制备法是将硼粉、碳粉混合,通保护气体,在高温下反应生成碳化硼。其反应方程式为:4B+C=B1.5气流压碎法气流粉碎法即将粗粉在气流粉碎机上进行强力粉碎,包括体积粉碎和表面粉碎。一般粗粉经三次粉碎后可获得平均粒径小于1μm的碳化硼粉末1.6经热处理合成化合物溶胶凝胶法是将无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理合成化合物的方法。Sinha等溶胶凝胶法具有反应温度低,碳、硼的混合均匀,硼源的损失少,合成的碳化硼粒度小等优点,但由于提供硼源的硼化物很难与其他物质形成凝胶,因此该方法很难广泛应用1.7碳化硼-碳化硼法溶剂热还原法是在相对较低的温度下,在液相溶剂中,加入碱金属作还原剂,从而制备碳化硼。Shi等该方法实现了碳化硼的低温合成,且制得的碳化硼粉末超细;但制备过程是以碱金属作还原剂,对反应设备和条件要求高,反应得到的碳化硼纯度低1.8碳化硼粉末的制备机械化学法一项新型制备碳化硼的方法。它是以氧化硼粉、镁粉和石墨粉为原料,利用球磨机的转动,使较硬的球磨介质对原料进行强烈撞击、研磨和搅拌,使原料颗粒发生塑性变形,显著降低物质的扩散激活能,在室温下即可形成扩散/反应偶,在稍高于室温的温度下诱导化学反应来制备碳化硼粉末2碳化钾的使用2.1碳化硼用于原子能研究碳化硼中子吸收截面高,吸收中子的能谱宽,常用于核反应堆的中子吸收材料2.2碳化硼带孔隙率高的燃料亲水性材料和使用碳化硼在材料方面应用广阔:碳化硼作为磨料,应用于工程陶瓷、宝石、硬质合金等的研磨和抛光等;碳化硼硬度高,可用于制作喷砂嘴及高压喷水切割的喷嘴;碳化硼耐腐蚀性好、化学性质稳定,可以用来制作火箭液体发动机燃料的流量变送器的轴尖或用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀耐摩擦器件;碳化硼对铁水稳定性和导热性好,可用作机械工业上的连续铸模2.3碳化钾用于电性能的应用运用碳化硼的热电性,能够制得碳化硼/石墨热电偶2.4碳化硼用于化学原材的应用碳化硼粉受卤素活化后可用作钢或其他合金的硼化剂,在钢表面渗硼以生成硼化铁薄层,以此来增强材料的强度和耐磨性3碳化硼研磨料的制备研磨废料是蓝宝石加工过程中产生的危险废物,目前国内尚无有效的回收处理方法,这些废料无法妥善处理只能丢弃,这样就使大量的碳化硼损失。而传统碳化硼的制备方法复杂、操作繁杂、能耗巨大。据统计,每生产1吨碳化硼原料,需要消耗50000度电陈晓