碳化硼

碳化硅（化学式约为 B4C）是一种极其坚硬的硼碳陶瓷，是一种用于坦克装甲、防弹背心、发动机破坏粉末以及众多工业应用的共价材料。 它的维氏硬度大于 30 GPa，是已知最硬的材料之一，仅次于立方氮化硼和金刚石。

碳化硅是在 19 世纪作为金属硼化物反应的副产品被发现的，但其化学式未知。 直到 1930 年代，化学成分才被估计为 B4C。关于这种材料是否具有这种精确的 4:1 化学计量的争议仍然存在，因为在实践中，根据这个公式，这种材料总是略微缺碳， X射线晶体学表明其结构非常复杂，由C-B-C链和B12二十面体混合而成。

这些特征与非常简单精确的 B4C 经验公式相矛盾。由于 B12 结构单元，理想碳化硼的化学式通常不写成 B4C，而是写成 B12C3，而碳化硼的缺碳用组合来描述 B12C3 和 B12CBC 单元。

碳化硅具有典型的二十面体基硼化物的复杂晶体结构。 在那里，B12 二十面体形成一个菱形晶格单元（空间群：R3m（第 166 号），晶格常数：a = 0.56 nm 和 c = 1.212 nm）围绕位于晶胞中心的 C-B-C 链，并且两个碳 原子桥接相邻的三个二十面体。 这种结构是分层的：B12 二十面体和桥接碳形成网络平面，平行于 c 平面展开并沿 c 轴堆叠。 晶格有两个基本结构单元——B12 二十面体和 B6 八面体。 由于 B6 八面体体积小，它们不能相互连接。 相反，它们与相邻层中的 B12 二十面体键合，这会降低 c 平面中的键合强度。

由于B12结构单元，理想碳化硼的化学式往往不写成B4C，而是写成B12C3，而碳化硼的缺碳则用B12C3和B12C2单元的组合来描述。 一些研究表明有可能将一个或多个碳原子并入硼二十面体中，从而在化学计量的碳重端产生诸如 (B11C)CBC = B4C 等公式，但诸如 B12(CBB) = B14C 等公式 在富硼端。 因此，碳化硅不是单一化合物，而是一族不同成分的化合物。 一种常见的中间体，近似于常见的元素比例，是 B12(CBC) = B6.5C。 量子力学计算表明，晶体中不同位置的硼原子和碳原子之间的构型无序决定了几种材料特性，特别是 B4C 成分的晶体对称性和 B13C2 成分的非金属电学特性。

碳化硅是一种坚固的材料，具有极高的硬度（莫氏硬度约为 9.5 至 9.75）、吸收中子的高截面（即对中子的良好屏蔽性能）、对电离辐射和大多数化学品的稳定性。 其维氏硬度（38 GPa）、弹性模量（460 GPa）和断裂韧性（3.5 MPa·m1/2）接近金刚石的相应值（1150 GPa 和 5.3 MPa·m1/2）。

截至 2015 年，碳化硼是已知的第三硬物质，仅次于金刚石和立方氮化硼，因此获得了黑金刚石的绰号。

碳化硅是一种半导体，其电子特性以跳跃式输运为主。 能带隙取决于成分和有序度。 带隙估计为 2.09 eV，具有多个中间带隙状态，使光致发光光谱复杂化。 该材料通常为 p 型。

碳化硅最早由 Henri Moissan 于 1899 年合成，方法是在电弧炉中用碳或镁还原三氧化硼。 对于碳，反应发生在高于 B4C 熔点的温度下，并伴随着大量一氧化碳的释放：

2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

如果使用镁，反应可以在石墨坩埚中进行，镁副产物通过用酸处理去除。

硬度：

• 挂锁
• 个人和车辆的防弹装甲
• 喷砂喷嘴
• 高压水射流切割机喷嘴
• 防刮耐磨涂层
• 切削工具和模具
• 磨料
• 金属基复合材料
• 在车辆的刹车片中

对于其他属性：

• 核反应堆中的中子吸收剂（见下文）
• 用于固体燃料冲压发动机的高能燃料