碳化硼是一種無機(jī)物，又被稱為黑鉆石，碳化硼的顏色呈灰黑色。是已知最堅(jiān)硬的三種資料之一。碳化硼具有密度低、強(qiáng)度大、高溫穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性好的特性。那么碳化硼的晶體構(gòu)造及性能有哪些呢？
碳化硼的晶體構(gòu)造
碳化硼晶體為菱面體結(jié)構(gòu)，晶格屬于D3d5-R3m空間點(diǎn)陣。其菱面體結(jié)構(gòu)如圖7所示，可描述為一立方原胞點(diǎn)陣在空間對角線方向上延伸，在每一角上形成相當(dāng)規(guī)則的二十面體。平行于空間對角線，就變成六方標(biāo)志的c軸，由三個硼原子與相鄰的二十面體互相連接組成線性鏈。因此，單位晶胞包含12個二十面體位置，三個位置位于線性鏈上。如果B原子被認(rèn)為是由于二十面體造成的位置，C原子看成處于線性鏈上，那么B12C3的化學(xué)計算即為B4C。
碳化硼的基本性質(zhì)
1.低密度
B4C的密度較小，為2.52g/cm3。在勻相區(qū)內(nèi)，密度和碳含量的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式表示為：
ρ=2.4224+0.00489C%
由于碳化硼的低密度，在得到較高的致密度的情況下，其性能可以達(dá)到碳化硼的標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)、高硬度等優(yōu)良的性能，因而可以作為輕質(zhì)裝甲，以減輕坦克等車體重量，節(jié)約能耗。
2.硬度與耐磨性
B4C具有超硬度以及極高的耐磨性，在勻相區(qū)內(nèi)，B4C的維氏硬度隨著C含量的增加而增加。當(dāng)碳含量為10.6%時，硬度為29.1GPa；當(dāng)碳含量為20%時，硬度21可達(dá)37.7GPa。在高溫時其硬度仍然很高(>30GPa)。硬度隨溫度變化可由經(jīng)驗(yàn)公式表示：
H=H0-exp(-aT)
式中：H0—為常溫時硬度；
T—為溫度；
a—為與含碳有關(guān)的常數(shù)。
此公式適用于20~1700℃。需要指出的是，B4C是世界上最硬的材料之一，僅次于金剛石和立方BN。
B4C的耐磨性隨著溫度的升高而增加，在20~1400℃范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)隨著溫度升高而下降，在1400℃左右降到0.05，摩擦率也不斷降低。B4C以其超硬度和摩擦特性已被用作噴沙嘴。金剛石的噴嘴以及水利噴射切割器的噴嘴，等耐磨材料；在軍事上被廣泛應(yīng)用于坦克、飛機(jī)等的裝甲材料；隨著技術(shù)的進(jìn)步，高精度研磨的需求增加，B4C日益顯示其優(yōu)越性，近年來，其用量一直在不斷增加，同時，B4C還可以用來研磨硬質(zhì)合金、陶瓷及寶石硬質(zhì)材料，摩擦用游離磨料或超聲波加工這些超硬材料用的磨料，但是同歐美相比我國在這方面用量還很少。
3.熱膨脹系數(shù)及比熱容
碳化硼熔點(diǎn)為2450℃，沸點(diǎn)為3000℃，熱膨脹系數(shù)為5.73×10-6/℃(28~1770℃)，比熱容計算公式：
C=22.99+5.40×10-3T-10.72×105T-2
4.化學(xué)穩(wěn)定性
碳化硼是最穩(wěn)定的化合物之一，在600℃以下不易發(fā)生氧化反應(yīng)；而溫度在600℃以上時，由于表面氧化成B2O3薄膜，阻止了B4C的進(jìn)一步被氧化。所以B4C現(xiàn)在被用作耐火材料中的抗氧化劑。常溫下B4C一般不與化學(xué)試劑反應(yīng)；800℃以上時B4C與Br形成三溴化合物；高溫下B4C與金屬氧化物反應(yīng)生成金屬硼化物和一氧化碳，所生成的FeB薄膜具有很高的顯微硬度(HV=24GPa)和抗磨損度。所以B4C可以被用于鋼鐵及合金的硼化。
碳化硼的性能優(yōu)勢
1、碳化硼最重要的性能在于其超凡的硬度(莫氏硬度為9.3)，硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，是理想的高溫耐磨資料；
2、碳化硼密度很小，是陶瓷資料中最輕的，可用于航天航空范疇；
3、碳化硼的中子吸收才干很強(qiáng)，相關(guān)于純元素B和Cd來說，造價低、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性好，普遍用于核工業(yè)，碳化硼中子吸收才干還能夠經(jīng)過添加B元素而進(jìn)一步改善；
4、碳化硼的化學(xué)性能優(yōu)秀，在常溫下不與酸、堿和大多數(shù)無機(jī)化合物反響，僅在氫氟酸一硫酸、氫氟酸一硝酸混合物中有遲緩的腐蝕，是化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的化合物之一；
5、碳化硼還具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、低收縮系數(shù)和良好的氧氣吸收才干等優(yōu)點(diǎn)；
6、碳化硼還是p型半導(dǎo)體資料，即便在很高的溫度下也可堅(jiān)持半導(dǎo)體特性。