1. 碳化硼的性質(zhì)及用途

　　從1893年研究制造的碳化硼到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷程，碳化硼從不被人們所熟悉到應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，從電阻爐實(shí)驗(yàn)到電弧爐生產(chǎn)，從臥式爐冶煉演變成立式爐冶煉，從世界的需求量幾噸到幾千噸，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)量也由幾十噸/年發(fā)展到上萬(wàn)噸/年，碳化硼發(fā)展的如此迅速讓硼行業(yè)刮目相看。

　　碳化硼具有高熔點(diǎn)（2450℃）、高硬度（莫氏硬度9.36，微氏顯微硬度49Gpa）、高模量、密度?。?.52g/cm3）、耐磨性好，酸堿性強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有良好的中子、氧氣吸收能力、較低的膨脹系數(shù)（5.0Χ10-6·K-1））和熱電性能（140s/m，室溫），被廣泛的應(yīng)用在機(jī)械研磨、耐火、化工、工程陶瓷、核工業(yè)和軍事等不同領(lǐng)域。對(duì)于碳化硼作為特種陶瓷的應(yīng)用，其使用范圍也日益增加。

　　1.1 碳化硼抗彈陶瓷

　　目前，AI2O3基抗彈陶瓷已用于“502工程”及“212工程”，但在戰(zhàn)車車體側(cè)面等部位采用AI2O3基陶瓷復(fù)合裝甲時(shí)，其減重效果不明顯，而采用同等厚度的高性能碳化硼陶瓷復(fù)合裝甲則要比AI2O3基抗彈陶瓷質(zhì)量減輕15%~20%,同是抗彈性能進(jìn)一步提高。因而，開(kāi)展高性能、低成本碳化硼抗彈陶瓷材料的研制與應(yīng)用，可大大提高相關(guān)武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。碳化硼抗彈陶瓷材應(yīng)用方向?yàn)橹攸c(diǎn)裝備工程，未來(lái)主戰(zhàn)坦克、步兵戰(zhàn)車空投空降車等輕型裝甲車輛以及武裝直升機(jī)腹板、船艇上層建筑的裝甲防護(hù)。

　　對(duì)新型碳化硼材料體系，其性能取決于微觀組織結(jié)構(gòu)，而微觀組織結(jié)構(gòu)的形成與化學(xué)成分、繞結(jié)工藝和相反應(yīng)過(guò)程密切相關(guān)。鑒于碳化硼陶瓷的特性和做為防彈裝甲陶瓷的重要意義，我國(guó)已經(jīng)研究了新型的碳化硼基超硬彈防陶瓷材料，從原料配方、燒結(jié)工藝到制成成品、性能檢測(cè)等一系列工作，都取得了良好的結(jié)果，所研制的高性能B4C陶瓷達(dá)到了美軍軍標(biāo)，為我國(guó)提供了一種新型的輕質(zhì)高性能防彈裝甲產(chǎn)品。

　　1.2 碳化硼涂層

　　碳化硼涂層技術(shù)的發(fā)展為其實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但目前，碳化硼涂層的實(shí)際應(yīng)用還很有限，大多處于研究實(shí)驗(yàn)階段。經(jīng)多年的研究，受控核聚變反應(yīng)裝置取得了重大突破，可望在未來(lái)的四五十年內(nèi)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。碳化硼涂層除了用于托卡馬克裝置的第一壁保護(hù)外，還可用于其它收到高能通量轟擊的部件，比如偏濾器、限制器等，因此，碳化硼涂層可作為受控聚變反應(yīng)堆PFM的重要候選材料。

　　碳化硼涂層的另一個(gè)重要用途是非晶碳化硼涂層刀具，刀具涂層的主要目的是提高刀具的性能，增加刀具的壽命。國(guó)內(nèi)已研發(fā)了等離子化學(xué)氣相沉積的非晶碳化硼涂層，具有低溫工藝、高硬度、粘結(jié)力強(qiáng)、表面光潔細(xì)膩、與加工工件的擴(kuò)散焊接式可控制等特點(diǎn)，用該非晶碳化硼涂層刀具加工Ti、AI等金屬是有效的。

　　2. 碳化硼生產(chǎn)現(xiàn)狀

　　我國(guó)現(xiàn)有的碳化硼生產(chǎn)廠主要分布在黑龍江的牡丹江、黑河、遼寧大連、內(nèi)蒙古通遼、吉林敦化等地。大連金瑪硼業(yè)科技集團(tuán)有限公司和牡丹江金剛鉆碳化硼精細(xì)陶瓷有限公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上占有率達(dá)60%以上，奠定了碳化硼行業(yè)的龍頭地位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有碳化硼冶煉能力可達(dá)10000~12000噸/年，碳化硼加工能力不超過(guò)6000噸/年。實(shí)際上各廠都沒(méi)有滿負(fù)荷生產(chǎn)，現(xiàn)有的產(chǎn)品幾乎一半外銷。近幾年碳化硼產(chǎn)量波動(dòng)在國(guó)內(nèi)年需求1000~1500噸，國(guó)外年需求3000~3500的水平，其中耐火材料、防彈材料用量的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于研磨和工程陶瓷的用量。

　　隨著碳化硼及制品行業(yè)的發(fā)展、科研水平的提高，目前，核能工業(yè)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用由碳化硼為原料制作的隔熱防屏蔽墻體材料、芯塊和中子吸收球。軍工領(lǐng)域研制生產(chǎn)的各種防護(hù)裝甲板和士兵防彈衣每年需求量逐年上升。因此國(guó)內(nèi)高品位碳化硼超精細(xì)微粉產(chǎn)品非常緊缺。

　　國(guó)外市場(chǎng)中烏克蘭是當(dāng)前中國(guó)的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其市場(chǎng)涵蓋了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，產(chǎn)量在1500~2000噸/年。其他國(guó)家如歐美等國(guó)家由于當(dāng)?shù)貙?duì)碳化硼冶煉和生產(chǎn)環(huán)境污染控制的要求格外嚴(yán)格，加上能源和人工費(fèi)用昂貴，幾乎都不再生產(chǎn)碳化硼。2007~2008年度我國(guó)出口碳化硼約為3500噸。出口的價(jià)格分別為6800~1800美元/噸；進(jìn)口碳化硼僅有1.2噸左右，價(jià)格達(dá)到29000美元/噸，而從歐洲進(jìn)口的價(jià)格達(dá)到74000美元/噸。

　　國(guó)外碳化硼的剛性需求和我國(guó)出口碳化硼價(jià)格的差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家在今后依然會(huì)通過(guò)我國(guó)進(jìn)口碳化硼，也促使我們碳化硼行業(yè)要生產(chǎn)出滿足他們需要的質(zhì)量和規(guī)格。

　　3. 國(guó)內(nèi)碳化硼產(chǎn)業(yè)主要規(guī)格

　　（見(jiàn)表1）

粒度標(biāo)記 Grain Size	基本粒徑 Basic Size	B，% B，%	C，% C，%	B4C%
F60	250	77-80	17-21	96-98
F70	212
F80	180
F90	150
F100	125
F120	106
F150	75
F180	75-63	76-79		95-97
F220	63-53
F230	D50=53±3.0
F240	D50=44.5±20
F280	D50＝36.5±1.5	75-79		95-96
F320	D50＝29.2±3.0
F360	D50＝22.8±1.5
F400	D50＝17.3±1.0
F500	D50＝12.8±1.0	74-78		94-95
F600	D50＝9.3±1.0
F800	D50＝6.5±1.0
F1000	D50＝4.5±0.8	74-78		91-94
F1200	D50＝3.0±0.5
F1500	∠5
60#-50#	250 -75	76-81		93-97
-100目	∠150	76-81
-200目	∠75
－325目（0-44μm）	∠45
－25μm	∠25
－10μm	∠10

　　4. 碳化硼行業(yè)發(fā)展展望

　　目前，碳化硼及硼化物的高端應(yīng)用領(lǐng)域中，如核工業(yè)材料、軍用防護(hù)材料、摩擦材料、磨料磨具及陶瓷當(dāng)局等范圍，其中絕大部分都被歐美和跨國(guó)公司所壟斷，他們利用中國(guó)價(jià)格低廉的原材料和自己獨(dú)有的生產(chǎn)技術(shù)所制備的高、精、尖產(chǎn)品，獲取高額的壟斷利潤(rùn)。我國(guó)一方面在生產(chǎn)這些初級(jí)原材料時(shí)付出了沉重的環(huán)境代價(jià)和材料資源，另一方面又因?yàn)槠髽I(yè)不得不進(jìn)口這些高端產(chǎn)品而付出了高昂的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)、外碳化硼粉體及碳化硼制品的市場(chǎng)調(diào)研和考察。同時(shí)針對(duì)國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求逐漸增大，其產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)品的價(jià)格受市場(chǎng)供求關(guān)系的影響，一直處于穩(wěn)中有升的局面。目前國(guó)際市場(chǎng)碳化硼粉體的價(jià)格每噸在13~20萬(wàn)元左右。碳化硼陶瓷制品國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格平均每噸在160~230萬(wàn)元。如果開(kāi)發(fā)出超精細(xì)微粉和高功能材料產(chǎn)品來(lái)，就會(huì)有更大的利潤(rùn)空間。

　　此外，硼行業(yè)企業(yè)亟待加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)研究碳化硼制品的權(quán)威大學(xué)和科研院所共建科研技術(shù)中心進(jìn)行合作研發(fā)，重點(diǎn)研制與航空航天和核能工業(yè)相配套的高功能材料和制品，滿足國(guó)內(nèi)碳化硼市場(chǎng)的需求。大連金瑪硼業(yè)科技集團(tuán)已力爭(zhēng)在國(guó)內(nèi)碳化硼超細(xì)微粉市場(chǎng)上達(dá)到70%以上的銷售份額。

　　目前，國(guó)家已經(jīng)把發(fā)展新型精細(xì)化工材料、特種材料和復(fù)合材料提升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度。用于防彈陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷主要要有氧化鋁碳化硅和碳化硼。其中，碳化硼是防彈性能最優(yōu)的裝甲材料，目前用作飛機(jī)裝甲材料和特殊用途防護(hù)結(jié)構(gòu)。氧化鋁雖然綜合防護(hù)系數(shù)最低，但因其成本最低，所以在護(hù)身裝甲和裝甲車輛方面獲得較多的應(yīng)用。碳化硅防彈陶瓷無(wú)論是防護(hù)系數(shù)，還是成本都介于二者之間。因而，降低碳化硼防彈陶瓷材料的成本研究具有很強(qiáng)必要性和廣闊的應(yīng)用前景。

　　隨著世界范圍內(nèi)核能的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，特別是我國(guó)核能戰(zhàn)略的加快實(shí)施，從2005到2015年我國(guó)將建造30臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電機(jī)組。納米碳化硼作為屏蔽和控制材料，將會(huì)在核反應(yīng)堆中得到更好的應(yīng)用，前景廣闊，其潛在的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分巨大。

　　根據(jù)我國(guó)核電能源建設(shè)的總體目標(biāo)和世界能源發(fā)展戰(zhàn)略，核工業(yè)用碳化硼材料以其性能優(yōu)越，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到核工業(yè)的青睞，應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。因此，核反應(yīng)堆用碳化硼材料是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的發(fā)展方向，有助于核反應(yīng)堆的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展和促進(jìn)核工業(yè)產(chǎn)品的出口，對(duì)我國(guó)大力推進(jìn)的核能建設(shè)將起到很好的促進(jìn)作用。

　　納米碳化硼在核反應(yīng)堆的應(yīng)用做為一個(gè)課題越來(lái)越多的得到了人們的關(guān)注，其發(fā)展前景十分廣闊。碳化硼在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用：碳化硼與石墨復(fù)合，制備硼碳磚，用于反應(yīng)堆外周，防止放射性物質(zhì)外泄用于反應(yīng)堆第二層防護(hù)，作反應(yīng)堆屏蔽材料；吸收放射性物質(zhì)用作反應(yīng)堆控制棒，控制反應(yīng)堆反應(yīng)速度，并以控制棒做為第一停堆系統(tǒng)，碳化硼吸收小球做為反應(yīng)堆第二停堆系統(tǒng)乏燃料處理中做為隔離塊，避免發(fā)生意外臨界。目前運(yùn)行的反應(yīng)堆中，約有50%使用了碳化硼做為控制和屏蔽材料，堆型涵蓋：壓水堆、沸水堆石墨堆、重水堆、高溫氣冷堆、快中子增殖堆，低溫核供熱堆。為了防治乏燃料在儲(chǔ)存中發(fā)生意外臨界，必須在密集儲(chǔ)存的乏燃料元件或組件之間填充具有強(qiáng)中子吸收能力的隔離塊，碳化硼是制備隔離塊的良好材料。在國(guó)際上先進(jìn)的乏燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)中，采用碳化硼材料作為隔離塊，使原來(lái)可滿足15年儲(chǔ)存期的儲(chǔ)存池，達(dá)到了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)推薦的乏燃料臨時(shí)貯存最少50年設(shè)計(jì)手壽命的要求。

　　碳化硼涂層技術(shù)的發(fā)展，為克服碳化硼材料本征脆性、加工困難等不利因素，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能提供了技術(shù)支持，使碳化硼涂層材料具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，實(shí)際應(yīng)用的碳化硼涂層主要集中在卡托馬克裝置的表面保護(hù)盒薄膜涂層刀具兩方面，托卡馬克表面涂層厚度較大，但涂層厚度較小，多為非結(jié)晶結(jié)構(gòu)。碳化硼涂層要在眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，如何讓制備更均勻之謎的碳化硼涂層，提高涂層與基體之間的結(jié)合力，降低涂層應(yīng)力仍是今后研究的重點(diǎn)。

　　隨著科技的迅猛發(fā)展，碳化硼及硼化物發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，他們已經(jīng)從最初的原料角色進(jìn)入到材料研究界的舞臺(tái)，并逐漸聚焦了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的目光。由于碳化硼及硼化物具有一些無(wú)與倫比的物理化學(xué)特性，是的它們?cè)诓牧项I(lǐng)域具有很多的優(yōu)越性能以及非常重要的實(shí)用意義。我國(guó)應(yīng)結(jié)合自身資源及市場(chǎng)需求特點(diǎn)，研究新的碳化硼工藝技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出較好的精細(xì)化工產(chǎn)品及高新材料等高附加值產(chǎn)品，以促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展。