碳化硼陶瓷全解(PPT文档)
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二、碳化硼粉末的制备
2.4 激光诱导化学气相沉积法(LICVD)
以含有碳源及硼源的气体(BCl3, B2H6, CHCl3,CH4等) 为原料，在激光辐照的条件下，混合气体之间发生反应生成 B4C纳米颗粒，经过一定的处理后可以得到具有较高纯度的 碳化硼纳米粉。
论文报道以铷钇铝石榴石激光作为激光源，C6H6和BCl3 为反应气体，制备出了石墨包覆B4C的纳米粉末，B4C粒度为 14nm~33nm。
与常压烧结相比，热压烧结的优点在于高温下粉末的塑性 得到改善，变形阻力减小，成形能力得到提高，产品致密度高， 显微组织优良。但由于碳化硼陶瓷抗热震性能较差，因此需要 缓慢降温，同时由于热压工艺要求较高，只能用来制造形状简 单的制品。
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三、碳化硼陶瓷的制备
3.3 活化烧结
采用化学或物理的措施，使烧结温度降低、烧结过程加快， 或使烧结体的密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结。 碳化硼中碳含量可以在一个较大的范围内变化((8.8%~20%)，在 一定条件下可以提高碳化硼中碳和硼的扩散能力，导致晶格崎 变，降低位错运动的阻力，使烧结过程得到活化。
碳化硼陶瓷制备技术的研究进展
汇报人：王东、冀学洋
一
二
目录
三
Contents
四
五
一、碳化硼简介
1.1 碳化硼到底是什么？
碳硼化合物粉末最初是在1858年作为制备金属硼化物的副 产品被发现的，1883年Joly鉴定了B3C粉末；1894年Moissan确 定了B6C粉末;化学计量的B4C直到1934年才被确定。不久，电炉 生产B4C粉末取得成功。碳化硼为菱面体，品格属于D3d5-R3m空 间点阵，品格常数a=0.519nm c=1.212nm, a=66°18'，其结构 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，目前可被广泛接受的碳化硼模型 是:B11C组成的二十面体和C-B-C链构成的菱面体结构。
CCl4+4BBr3+16Na → B4C+4NaCl+12NaBr
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三、碳化硼陶瓷的制备
常压烧结
热压烧结
碳化硼陶瓷的制备
活化烧结
热等静压烧结
三、碳化硼陶瓷的制备
3.1 常压烧结
碳化硼是共价键很强的陶瓷材料，共价键占90%以上， 而且碳化硼的塑性差，品界移动阻力很大，固态时表面张力 很小，从而决定了碳化硼是一种极难烧结的陶瓷材料。常压 下进行烧结时，要想获得较高的烧结致密度，条件比较苛刻， 如温度要接近碳化硼的熔点，粉末的比表面积不能低于 5.2m2/g。纯碳化硼材料在常压下于2200℃~2300℃烧结通常 只能获得低于80%的相对密度，而且制品力学性能差，不能 满足实际应用的要求。在2000℃以上，当温度接近碳化硼的 熔点时，晶界和体积扩散是主要烧结机理;在低温条件下， 表面扩散蒸发一再凝聚反应是主要烧结机理。
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二、碳化硼粉末的制备
2.5 共还原法
这是一种比较新的制各B4C的方法，它是将过量的金 属钠与一定量的BBr3和CCI4;装入铁制试管内，置于反应釜 中，在450℃保温8h后冷却至室温。将产物先后用无水乙醇、 稀盐酸、蒸馏水洗涤并干燥。产物为斜方六面体型B4C粉末， 其平均粒径为 80 μ m,或者为直径约 200 nm、长约 2.5 μ m的棒状微粒。反应式如下:
4B+C → B4C 本方法可以严格控制B/C，但生产效率低下，不适合工 业化生产。
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二、碳化硼粉末的制备
2.2 硼酐干碳热还原法
工业上一般采用碳还原硼酸(或硼酐)的方法制备B4C。 将硼酐或硼酸碳混合均匀，在电弧炉中加热至1700℃~2300℃
合成，反应的方程式为:
2H3BO3 → B2O3+3H2O 2B2O3+7C → B4C+6CO 由于硼酸和硼酐分别在低温和高温下有较大的挥发性，
所以需要加入过量的硼酸和硼酐，才能获得高纯和稳定的碳
化硼粉。
采用电弧熔炼法产量大，由于电弧炉内温度分布不均匀，
因而得到的碳化硼粉末成分波动较大，电弧炉中制得的碳化
硼一般含有较高的硼和碳。
反应也可以在电阻炉中进行，电阻炉温度均匀，控
温准确，可以制得接近化学计量比的B4C粉末。
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二、碳化硼粉末的制备
2.3 自蔓延高温合成法(SHS)
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三、碳化硼陶瓷的制备
3Байду номын сангаас2热压烧结
热压烧结是将粉末装在模腔内，在加热的同时对粉末施加 一定压力的一种烧结方法。热压造成颗粒重排，塑性流动、晶 界滑移、应变诱导孪品晶、蠕变以及后阶段体积扩散与重结晶 相结合等物质迁移机理。热压烧结将压力的影响和表面能一起 作为烧结驱动力，因此通过热压可以降低陶瓷的烧结温度，提 高烧结体的致密度。
自蔓延高温合成法是利用化合物合成时自身产生的反应热 ，使反应持续进行下去的一种工艺。由于采用此法制各碳化硼 时以镁作为助熔剂，因而得名“镁热法”。将碳粉、B2O3和镁 粉混合均匀，在1000℃~1200℃按下式进行反应:
2B2O3+6Mg+C → B4C+6MgO 此反应为强烈放热反应，最终产物用硫酸或盐酸酸洗，然 后用热水洗涤，可获得纯度较高且粒度较细(0.1μ m一5μ m)的 B4C粉末。
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一、碳化硼简介
碳化硼是引人注意的陶瓷材料，碳化硼最突出的特点就是 其具有的超常硬度(莫氏硬度9.36,显微硬度达到55GPa~67GPa)， 其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，此外，碳化硼还具有密度 小(2.52g/cm3),熔点高(2450℃)，高温强度高，化学稳定性好 (常温下碳化硼一般不与化学试剂反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢 氟酸一硝酸混合物中有缓慢的侵蚀，是化学性质最稳定的化合 物之一)，良好的中子吸收能力，极好的热电性能(140s·m-1， 室温)，较低的膨胀系数(5.0x10-6K-1)等特点，因此，碳化硼可 以用于制备防弹装甲、切割刀具、特种耐酸碱侵蚀材料、热电 偶以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。此外，由于其具有的良 好性能，也有研究人员开始了碳化硼涂层的研究。
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二、碳化硼粉末的制备
硼碳元素直接合成法
碳化硼粉末 的制备
硼酐干碳热还原法 自蔓延高温合成法(SHS) 激光诱导化学气相沉积法
共还原法
二、碳化硼粉末的制备
2.1 硼碳元素直接合成法
根据B-C相图，将纯硼粉和石焦油(或其他碳粉)按化 学计量比B/C约为4:1配制，均匀混合，在真空或保护气氛 下加热至1700 ℃ ~ 2100 ℃混合物发生反应生成B4C。其反 应方程式为:
二、碳化硼粉末的制备
2.4 激光诱导化学气相沉积法(LICVD)
以含有碳源及硼源的气体(BCl3, B2H6, CHCl3,CH4等) 为原料，在激光辐照的条件下，混合气体之间发生反应生成 B4C纳米颗粒，经过一定的处理后可以得到具有较高纯度的 碳化硼纳米粉。
论文报道以铷钇铝石榴石激光作为激光源，C6H6和BCl3 为反应气体，制备出了石墨包覆B4C的纳米粉末，B4C粒度为 14nm~33nm。
与常压烧结相比，热压烧结的优点在于高温下粉末的塑性 得到改善，变形阻力减小，成形能力得到提高，产品致密度高， 显微组织优良。但由于碳化硼陶瓷抗热震性能较差，因此需要 缓慢降温，同时由于热压工艺要求较高，只能用来制造形状简 单的制品。
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三、碳化硼陶瓷的制备
3.3 活化烧结
采用化学或物理的措施，使烧结温度降低、烧结过程加快， 或使烧结体的密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结。 碳化硼中碳含量可以在一个较大的范围内变化((8.8%~20%)，在 一定条件下可以提高碳化硼中碳和硼的扩散能力，导致晶格崎 变，降低位错运动的阻力，使烧结过程得到活化。
碳化硼陶瓷制备技术的研究进展
汇报人：王东、冀学洋
一
二
目录
三
Contents
四
五
一、碳化硼简介
1.1 碳化硼到底是什么？
碳硼化合物粉末最初是在1858年作为制备金属硼化物的副 产品被发现的，1883年Joly鉴定了B3C粉末；1894年Moissan确 定了B6C粉末;化学计量的B4C直到1934年才被确定。不久，电炉 生产B4C粉末取得成功。碳化硼为菱面体，品格属于D3d5-R3m空 间点阵，品格常数a=0.519nm c=1.212nm, a=66°18'，其结构 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，目前可被广泛接受的碳化硼模型 是:B11C组成的二十面体和C-B-C链构成的菱面体结构。
CCl4+4BBr3+16Na → B4C+4NaCl+12NaBr
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三、碳化硼陶瓷的制备
常压烧结
热压烧结
碳化硼陶瓷的制备
活化烧结
热等静压烧结
三、碳化硼陶瓷的制备
3.1 常压烧结
碳化硼是共价键很强的陶瓷材料，共价键占90%以上， 而且碳化硼的塑性差，品界移动阻力很大，固态时表面张力 很小，从而决定了碳化硼是一种极难烧结的陶瓷材料。常压 下进行烧结时，要想获得较高的烧结致密度，条件比较苛刻， 如温度要接近碳化硼的熔点，粉末的比表面积不能低于 5.2m2/g。纯碳化硼材料在常压下于2200℃~2300℃烧结通常 只能获得低于80%的相对密度，而且制品力学性能差，不能 满足实际应用的要求。在2000℃以上，当温度接近碳化硼的 熔点时，晶界和体积扩散是主要烧结机理;在低温条件下， 表面扩散蒸发一再凝聚反应是主要烧结机理。
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二、碳化硼粉末的制备
2.5 共还原法
这是一种比较新的制各B4C的方法，它是将过量的金 属钠与一定量的BBr3和CCI4;装入铁制试管内，置于反应釜 中，在450℃保温8h后冷却至室温。将产物先后用无水乙醇、 稀盐酸、蒸馏水洗涤并干燥。产物为斜方六面体型B4C粉末， 其平均粒径为 80 μ m,或者为直径约 200 nm、长约 2.5 μ m的棒状微粒。反应式如下:
4B+C → B4C 本方法可以严格控制B/C，但生产效率低下，不适合工 业化生产。
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二、碳化硼粉末的制备
2.2 硼酐干碳热还原法
工业上一般采用碳还原硼酸(或硼酐)的方法制备B4C。 将硼酐或硼酸碳混合均匀，在电弧炉中加热至1700℃~2300℃
合成，反应的方程式为:
2H3BO3 → B2O3+3H2O 2B2O3+7C → B4C+6CO 由于硼酸和硼酐分别在低温和高温下有较大的挥发性，
所以需要加入过量的硼酸和硼酐，才能获得高纯和稳定的碳
化硼粉。
采用电弧熔炼法产量大，由于电弧炉内温度分布不均匀，
因而得到的碳化硼粉末成分波动较大，电弧炉中制得的碳化
硼一般含有较高的硼和碳。
反应也可以在电阻炉中进行，电阻炉温度均匀，控
温准确，可以制得接近化学计量比的B4C粉末。
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二、碳化硼粉末的制备
2.3 自蔓延高温合成法(SHS)
12
三、碳化硼陶瓷的制备
3Байду номын сангаас2热压烧结
热压烧结是将粉末装在模腔内，在加热的同时对粉末施加 一定压力的一种烧结方法。热压造成颗粒重排，塑性流动、晶 界滑移、应变诱导孪品晶、蠕变以及后阶段体积扩散与重结晶 相结合等物质迁移机理。热压烧结将压力的影响和表面能一起 作为烧结驱动力，因此通过热压可以降低陶瓷的烧结温度，提 高烧结体的致密度。
自蔓延高温合成法是利用化合物合成时自身产生的反应热 ，使反应持续进行下去的一种工艺。由于采用此法制各碳化硼 时以镁作为助熔剂，因而得名“镁热法”。将碳粉、B2O3和镁 粉混合均匀，在1000℃~1200℃按下式进行反应:
2B2O3+6Mg+C → B4C+6MgO 此反应为强烈放热反应，最终产物用硫酸或盐酸酸洗，然 后用热水洗涤，可获得纯度较高且粒度较细(0.1μ m一5μ m)的 B4C粉末。
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一、碳化硼简介
碳化硼是引人注意的陶瓷材料，碳化硼最突出的特点就是 其具有的超常硬度(莫氏硬度9.36,显微硬度达到55GPa~67GPa)， 其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，此外，碳化硼还具有密度 小(2.52g/cm3),熔点高(2450℃)，高温强度高，化学稳定性好 (常温下碳化硼一般不与化学试剂反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢 氟酸一硝酸混合物中有缓慢的侵蚀，是化学性质最稳定的化合 物之一)，良好的中子吸收能力，极好的热电性能(140s·m-1， 室温)，较低的膨胀系数(5.0x10-6K-1)等特点，因此，碳化硼可 以用于制备防弹装甲、切割刀具、特种耐酸碱侵蚀材料、热电 偶以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。此外，由于其具有的良 好性能，也有研究人员开始了碳化硼涂层的研究。
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二、碳化硼粉末的制备
硼碳元素直接合成法
碳化硼粉末 的制备
硼酐干碳热还原法 自蔓延高温合成法(SHS) 激光诱导化学气相沉积法
共还原法
二、碳化硼粉末的制备
2.1 硼碳元素直接合成法
根据B-C相图，将纯硼粉和石焦油(或其他碳粉)按化 学计量比B/C约为4:1配制，均匀混合，在真空或保护气氛 下加热至1700 ℃ ~ 2100 ℃混合物发生反应生成B4C。其反 应方程式为: