碳化硼陶瓷是新型陶瓷中重要的耐磨損和高硬度結(jié)構(gòu)陶瓷材料。由于硼和碳都為非金屬元素，而且原子半徑接近，其結(jié)合方式不同于一般間隙化合物，因此碳化硼陶瓷具有高熔點(diǎn)、超高硬度、低密度、耐磨損和耐腐蝕等許多獨(dú)特的優(yōu)異性能，在國防、核能、航空航天、機(jī)械、耐磨損技術(shù)等領(lǐng)域，正日益顯示出其廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

1 碳化硼陶瓷特性

碳化硼這一化合物最早是在1858年被發(fā)現(xiàn)的，但直到1934年，化學(xué)計(jì)量分子式為B4C的化合物才被提出和認(rèn)知。

碳化硼是目前已知材料中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高達(dá)3000kg/mm2；密度低，僅為2.52g/cm3，是鋼鐵的1/3；彈性模量高，為450GPa；熔點(diǎn)高，約為2447℃；其熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱率較高。此外，碳化硼具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸耐堿耐腐蝕，在常溫下不與酸堿及大多數(shù)無機(jī)化合物液體反應(yīng)，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合液中有緩慢的腐蝕，且與大多數(shù)熔融金屬不潤濕，不發(fā)生作用。碳化硼還具有很好的吸收中子能力，這是其它陶瓷材料不具備的。

純碳化硼的致密化燒結(jié)是極其困難的。這是因?yàn)槠涔矁r鍵份數(shù)達(dá)93.94%，高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷，如SiC（88%），Si3N4（70%）等。從而使碳化硼內(nèi)氣孔的消除、晶界和體積擴(kuò)散的傳質(zhì)機(jī)制需在2000℃以上。例如，普通B4C粉末于2250~2300℃常壓燒結(jié)，只能達(dá)到80%~87%相對密度。在如此高的溫度下燒結(jié)，晶粒會快速粗化與長大，不利于氣孔的排除，將造成大量的殘余氣孔使材料致密度受限制。因此碳化硼的燒結(jié)必須采用有效添加劑或進(jìn)行壓力燒結(jié)。

2 碳化硼陶瓷的應(yīng)用

如前所述，B4C陶瓷具有低密度（密度低于SiC和Si3N4陶瓷）、高硬度（高于SiC和Si3N4）、高彈性模量、耐腐蝕、耐磨損、良好的中子吸收性能，以及良好的高溫半導(dǎo)體特征等，從而在國防、核能和耐磨技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3.1 防彈裝甲領(lǐng)域

由于B4C陶瓷具有輕質(zhì)、超高硬和和高彈性模量特性，是防彈背心、防彈頭盔和防彈裝甲的最佳材料，1960年代就開始應(yīng)用碳化硼陶瓷作為陶瓷裝甲材料。與其它防彈材料（如SiC、Al2O3）相比，B4C陶瓷更輕更硬，特別適宜用于武裝直升機(jī)和其它航空器作為防彈裝甲材料，可有效抵擋炮彈。因此，B4C陶瓷一般只用于某些對防護(hù)性能有很高要求的特殊場合，如美軍的V22“魚鷹”旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的機(jī)組人員座椅。另外，英軍使用的增強(qiáng)型人體護(hù)甲（EBA）也采用了碳化硼陶瓷，其可以防御12.7mm鋼心穿甲彈。

英國BAE系統(tǒng)公司的先進(jìn)陶瓷分公司生產(chǎn)的碳化硼陶瓷，已用作美軍“攔截者”防彈衣。1997年，美國陸軍在制造技術(shù)計(jì)劃中確定了陶瓷裝甲工藝的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要研究如何低成本大量生產(chǎn)“攔截者”防彈衣系統(tǒng)所需的碳化硼（B4C）輕武器防護(hù)插板裝甲。參加這個項(xiàng)目的單位包括美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、美國陸軍士兵與生物化學(xué)司令部，專業(yè)防務(wù)系統(tǒng)公司、Simula磯山公司、Cercom公司、以及CoorsTek公司和Ceradyne公司。到2012年，共有6.8萬套“攔截者”防彈衣投入戰(zhàn)場。

3.2耐磨技術(shù)領(lǐng)域

在耐磨技術(shù)與工程領(lǐng)域，利用B4C的高硬度制備的各種噴嘴，用于船體除銹的除砂器噴嘴及高壓噴射水切割用噴嘴。B4C噴嘴在嚴(yán)酷使用條件下壽命最長，比Al2O3噴嘴的壽命要提高幾十倍，比SiC和WC噴嘴壽命也要長許多，性價比極高，是噴砂加工行業(yè)的最佳選擇。B4C的優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性，使其可用于泥漿和液態(tài)研磨機(jī)的噴嘴；由B4C制成的研缽、研磨棒及類似研磨裝置，是化學(xué)分析工作中的首選，因?yàn)樗杀苊庋心ミ^程中帶來的磨耗污染。

碳化硼用作其他硬質(zhì)材料如硬質(zhì)合金、工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料，取代原來使用的金剛石磨料，可以大大降低研磨過程的成本。例如，碳化硼器件用作氣動滑閥、熱擠壓模、原子能發(fā)電廠冷卻系統(tǒng)的軸頸軸承；用作陶瓷氣體渦輪機(jī)中的耐腐蝕、耐磨損部件。

3.3核能領(lǐng)域

在反應(yīng)堆堆芯組件中，中子吸收材料（控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是僅次于燃料元件的重要功能元件。由于碳化硼的中子吸收截面高，吸收能譜寬，價格低，原料來源豐富，吸收中子后沒有很強(qiáng)的射線二次輻射，從而易于廢料處理。因此碳化硼是一種重要的中子吸收材料。

3.4溫差電偶

利用B4C的熱電性，日本和德國燒結(jié)制備出可測2200℃的溫差電偶，用于高溫的測量與控制。它的高熱電性和穩(wěn)定性使其可長期可靠的使用，對溫度進(jìn)行重復(fù)測量。碳化硼/石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關(guān)系良好。

3.5其他應(yīng)用

由于B4C對鐵水穩(wěn)定，且導(dǎo)熱性好，可以用作機(jī)械工業(yè)連續(xù)鑄模；利用B4C抗強(qiáng)酸腐蝕和抗磨損特性，可用于火箭液體發(fā)動機(jī)燃料的流量變送器軸尖；B4C還是長壽命陀螺儀中優(yōu)異的氣體軸承材料，而在飛機(jī)、艦船、航天橋飛行器等運(yùn)載體的慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺儀是極其重要的敏感器。

3 碳化硼陶瓷的不足之處

隨著燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，碳化硼陶瓷的優(yōu)異性越來越突出，其產(chǎn)品對于現(xiàn)代工藝技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等工作環(huán)境，具有特殊的使用價值，并在許多領(lǐng)域內(nèi)有潛在的用途。盡管碳化硼陶瓷獲得了廣泛的應(yīng)用，但還是存在成本高、斷裂韌性低、燒結(jié)溫度過高（約2300℃）、抗氧化能力較差（在空氣中600℃開始氧化，900℃迅速氧化）、對金屬的穩(wěn)定性較差（除Ag、Cu、Sn、Zn等之外幾乎與所有金屬發(fā)生反應(yīng)形成金屬硼化物）、機(jī)加工困難等，這些缺點(diǎn)制約了碳化硼陶瓷塊體材料的大規(guī)模應(yīng)用。因此，今后仍需要按照實(shí)際使用環(huán)境的要求，來調(diào)控B4C陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能，并且不斷完善和發(fā)展新的燒結(jié)技術(shù)，從而不斷降低其制造成本，提高其可靠性和強(qiáng)韌性，使碳化硼陶瓷這種優(yōu)異的工程材料獲得更廣泛的應(yīng)用。