碳化硼粉体合成方法的研究进展

种小川¹，肖国庆¹，丁冬海^1,2,3，白冰¹

1. 西安建筑科技大学材料与矿资学院2. 西安建筑科技大学材料科学与工程博士后流动站3. 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室

摘 要：作为一种难熔非金属超硬碳化物材料,碳化硼（B₄C）逐渐得到学者们的广泛关注,关于B₄C粉体的制备方法和应用已成为重要研究热点之一。B₄C不仅有超高的硬度,同时有高熔点、高的中子吸收性、化学稳定、低密度等诸多优异性能,被大量地应用于机械装备、磨具磨料、催化载体等领域。目前,B₄C粉体在耐火材料防氧化剂、高温热电偶、防护装甲、核反应堆屏蔽材料等领域的应用潜力被不断挖掘,但传统制备方法得到的B₄C粉体粒度不均匀、杂质含量高,尤其是颗粒粗大、形貌单一,使B₄C的优异性能难以充分发挥,严重限制了其应用。相对于传统的B₄C粉体,高纯度、低维度、粒度均匀的B₄C粉体能有效地改善B₄C材料的烧结性能,提高其断裂韧性。因此,制备高纯度、尺寸均匀、小粒径、高长径比的B₄C粉体更有意义。然而,B₄C是由90%以上的共价键组成且合成过程的动力学、热力学条件复杂,使得B₄C粉体合成困难,尤其是想通过低成本、简单工艺要求的方法合成高性能、应用领域广泛的B₄C粉体。因此,越来越多的研究者通过多种途径改进合成方法以得到性能优异的B₄C粉体,从而改善B₄C粉体的烧结性能、提高其断裂韧性,以此来满足越来越广泛的应用领域要求和适用于越来越苛刻的应用环境。近年来,许多文献报道通过多种方法都可以得到高纯度、低维度、粒度均匀的B₄C粉体。元素合成法制备的B₄C粉体虽然产量较小,但是一般纯度较高,工业中最常用的碳热还原法得到的B₄C的最小粒度为20～30 nm,快速节能的自蔓延高温合成法可以得到厚度为10～50 nm的片状B₄C,棒状、纤维状等特殊形貌的B₄C主要通过化学气相沉积法合成,而溶剂热还原法、VLS生长法、粒子束合成法等一些新的合成方法也都获得了纳米尺寸的B₄C粉体。这些最新的成果主要通过改变原料种类、提高原料品质、采用不同形貌的原料和催化剂及多种方法结合使用等手段来实现。此外,对B₄C生成过程的理论研究也促进了各种合成方法的不断发展。本文对B₄C的合成方法进行综述,重点对元素合成法、碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法用于制备高纯度、低维B₄C的发展和研究现状进行了介绍,同时展望了B₄C制备方法的发展方向。

关键词：碳化硼;碳热还原;自蔓延高温合成;