碳化硼（化学式B₄C）是一种硼-碳陶瓷和共价物质，用于坦克装甲、防弹背心、发动机破坏粉末以及各种其他工业应用。它是已知最硬的材料之一，仅次于立方氮化硼和钻石，维氏硬度>30 GPa。

                                                  B ₄ C 的晶胞。绿色球体和二十面体由硼原子组成，黑色球体由碳原子组成

   B ₄ C 晶体结构的片段

碳化硼具有复杂的晶体结构，这是以五十面体为中心的硼化物的特征。B₁₂五十面体在单位晶胞中心的C-B-C链周围形成菱形晶格单元（空间群：R3m，晶格常数：a = 0.56 nm和c = 1.212 nm），所有碳原子都桥接相邻的三个五十面体。B₁₂五十面体和桥接碳形成一个平行于c面的网络平面，并沿c轴堆叠，形成层状结构。晶格的两个基本结构单元是B₁₂五十面体和B6八面体。由于B₆八面体的尺寸小，无法结合。相反，它们与相邻层的B₁₂五十面体结合，这削弱了c面的键合。

“理想”的碳化硼的化学式有时写作B₁₂C₃，碳化硼的碳缺乏是以B₁₂C₃和B₁₂C单元的组合来定义的，这是由于B12结构单元。一些研究表明，一个或多个碳原子可以被嵌入到硼五十面体中，导致像B₁₁CCBC = B₄C这样的公式在化学计量的碳重端，但像B₁₂(CBB) = B₁₄C这样的公式在硼富端。因此，“碳化硼”是一系列不同组成的化合物，而不是单一的化合物。B₁₂(CBC) = B₆.₅C是一个常见的中间体，近似于经常发现的元素比例。根据量子力学计算，B₄C组成的晶体对称性和B₁₃C₂组成的非金属电性都由晶体中不同位置的硼和碳原子的构型无序决定。

 碳化硼的物理性质

• 碳化硼是一种坚韧的物质，具有高韧性（莫氏硬度约为9.5到9.75）、大的中子吸收截面（即强中子屏蔽性能）以及对电离辐射和大多数化学物质的抗性。维氏硬度（38 GPa）、弹性模量（460 GPa）和断裂韧性（3.5 MPam^−1/2 ）与钻石的（1150 GPa和5.3 MPam^−1/2 ）相似。

• 碳化硼在2015年被确定为第三硬的材料，仅次于钻石和立方硼烷，因此被赞誉为“黑钻”。

• 碳化硼是一种半导体，跳跃型输运主导其电子性质。能带间隙由组成和有序程度共同决定。能带间隙测量为2.09 eV，光致发光谱由几个中带间隙态复杂化。内容通常为p型。

(1) 碳化硼首次在1899年由Henri Moissan在电弧炉中通过在碳或镁存在下还原三氧化硼合成。在碳的情况下，反应在B₄C熔点以上的温度下进行，并释放出大量的一氧化碳。如果使用镁，反应可以在石墨坩埚中进行，通过酸处理提取镁副产品。

2B₂C₃ + 7C → B₄C + 6CO

(2) 可以通过将氧化物与粉末镁结合，制备出纯度为95%的硼：

B₂O₃ + 3Mg → 2B + 3MgO

(3) 通过在加热的钽丝上通过BCl₃或BBr₃和氢的混合物，可以获得高纯度的硼（>99.9%）：

2BBr₃(g) + 3H₂(g) → 2B(s) + 6HBr(g)

碳化硼粉末的氧化在水蒸气存在下的温度低至250°C，以及在无水蒸气的情况下450°C的温度下开始氧化。水蒸气以比氧化速率快的速度去除B₂O₃氧化物，温度低于550⁰ - 600⁰C。B₂O₃在B₄C表面上抑制了H₂O氧化，但没有抑制空气氧化。发现速率与水的部分压力有线性关系。水 - B₄C反应的活化能为11 kcal/mole，而空气 - B₄C反应的活化能为45 kcal/mole。干燥空气在达到700（对于235 mm水部分压力）之前比水蒸气氧化速率慢。

碳化硼在19世纪被发现为金属硼化物反应的副产品，但其化学成分未知。直到1930年代，才确定其化学成分为B₄C。该材料的精确4:1化学计量比仍然存在争议，因为在自然界中，这个公式仍然略微缺乏碳，而X射线晶体学揭示其结构非常复杂，具有C-B-C链和B₁₂五十面体的混合。

这些特性与精确B₄C经验公式不相符。"理想"的碳化硼的化学式有时写作B₁₂C₃，碳化硼的碳缺乏是以B₁₂C₃和B₁₂ CBC单元的组合来定义的，这是由于B₁₂结构单元。

挂锁

个人和车辆防弹装甲板

碳化硼也与其他材料（包括身体或个人装甲）一起用作防弹装甲。该材料的高硬度、高弹性模量和低密度使其具有对高速度射弹的非凡阻止能力。

枪口或炮口

它可以在军工业中用作枪口。碳化硼极硬且耐磨，不与酸碱反应，耐高/低温，高压，密度≥2.46g / cm³；显微硬度≥3500kgf / mm²，弯曲强度≥400Mpa，熔点2450℃

由于碳化硼喷嘴具有上述高耐磨和高硬度的特性，碳化硼喷砂喷嘴将逐渐取代已知的硬质合金/钨钢和碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等材料的喷砂喷嘴。

喷砂喷嘴

由于其高耐磨和耐磨性，硼碳化物被用作浆料泵送喷嘴、喷砂喷嘴和水切割器。

高压水切割器喷嘴

抗划磨和耐磨涂层

用作磨料

碳化硼很早就被用作粗磨料材料。由于其熔点高，不易铸成人造产品，但通过在高温下熔化粉末，可以加工成简单的形状。用于硬质材料如硬质合金和宝石的研磨、研磨、钻孔和抛光。

用于抛光和研磨应用的粉末，也是水切割等切割应用的松散磨料。它也对抛光钻石工具有用。

在核反应堆中吸收中子

碳化硼可以吸收大量的中子而不形成任何放射性同位素，因此它是核电站中理想的中子吸收剂，中子吸收剂主要控制核裂变的速率。硼碳化物主要在核反应堆场中制成可控制的棒状，但有时由于表面积增大而制成粉末。

1986年切尔诺贝利核事故发生时，俄罗斯投下了近2000吨硼碳化物和沙子，最终停止了反应堆中的链式反应。

涂层

碳化硼也可以用作军舰和直升机的陶瓷涂层。它重量轻，具有抵抗穿甲弹穿透热压涂层进入整体防御层的能力。

金属基复合材料

如：B 4 C 添加到铝合金中，可制造现代高性能金属基复合材料，具有改进的强度、热行为、化学惰性和耐磨性。

固体燃料冲压发动机的高能燃料

碳化硼与羟基封端聚丁二烯燃料颗粒高度负载结合，被用于固体燃料冲压发动机。这种燃料的组成主要包括羟基封端聚丁二烯（HTPB）、镁、铝和碳化硼，其中碳化硼的重量百分比约为25%，HTPB的重量百分比约为50%。这种燃料的性能直接与燃料的能量密度和燃烧行为有关。

四硼碳化物的公式是B₄C。

四硼碳化物的密度是2.52 g/cm³。

硼碳化物的摩尔质量是55.255 g/mol。

硼碳化物的晶体结构的形状是菱形。

硼碳化物的熔点是2,763 °C (5,005 °F; 3,036 K)

B₄C硼碳化物在极性化合物如水中是不溶的。

硼碳化物陶瓷是一种用于工业应用的共价物质。

今天汽车中使用的硼钢形式非常多。硼钢的屈服点约为1,350-1,400 N/mm²（196,000-203,000 psi）。这大约是标准高强度钢的四倍。

                                                                                                                                                    上海戎创铠迅特种材料有限公司