碳化硼行业市场发展规模及主要应用领域的立项报告

第一节 碳化硼的简介

碳化硼（boron carbide ），别名黑钻石，分子式为B4C，通常为灰黑色微粉。是已知最坚硬的三种材料之一（其他两种为金刚石、立方相氮化硼），用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的摩氏硬度为9.3。（立项报告）

第二节 碳化硼生产工艺技术的新发展

1、在粉末制备方面，目前最引人注目的是研究高纯超细碳化硼粉体的制造技术。高纯超细碳化硼粉体是制造碳化硼特种陶瓷必备的基础材料，如碳化硼超细微粉、碳化硼纳米粉、碳化硼核级粉、碳化硼纤维、碳化硼晶须、医用碳化硼敷料等。高纯超细碳化硼粉体的制造技术，能制备碳化硼达到用以往方法所不能加工的细度和纯度，获得超细高纯度的碳化硼，对提高碳化硼陶瓷的生产效率，并使其压制加工程序变得简化、易行，有利于迅速发展碳化硼制品的生产。

此外，近几年也有人研究借鉴溶解法制备粉末、化学气相沉积法制备陶瓷粉末以及等离子体气相反应法等方法来制备碳化硼粉体，弥补粉体收集的难点。

总之，这几年来碳化硼高纯超细粉末制备技术有了较大的发展，但成本太高，粉末的质量不够稳定仍需加强研究使这些问题得到很好解决。

2、在成型及烧结方面，目前碳化硼工程陶瓷制品一般采用保护气氛下的热压烧结方法，但热等静压法仍最为引人注目。该法与热压法相比能使物料受到各向同性的压力，因而其瓷质均匀，此外由于热压静压法可以施加几千个大气压的高压，这样就使得要烧结的材料能在极低的温度下得以烧结。另外碳化硼陶瓷常压烧结得到理想的致密程度和机械性能也是目前在不断研究的课题，它将是解决廉价生产碳化硼陶瓷和拓宽市场的关键市场。

3、碳化硼工程陶瓷的精密加工方面，目前采用的机械加工方法在要获得高强度、高致密度、高几何尺寸精度的碳化硼陶瓷制品仍有较大的难度，特别是制作各种形状、各种尺寸和大规格碳化硼陶瓷制品更是难上加难。这方面的加工技术有待于进一步的加以开发研究。

第三节 碳化硼行业市场发展规模

碳化硼近二十年的发展很快，国内年产量从40吨增长到4000吨，用途从单一的自由研磨发展到耐火、航空航天、化工治金、核工业和工程陶瓷等方面，发展迅速与现代高速发展科技技术有关，由此可知碳化硼还可能开拓出新的用途。

高新技术的迅猛发展，有力地推动了新材料开发和使用领域的日益扩大，碳化硼也不例外，它是一种重要的无机非金属材料，制造高纯、超细的碳化硼粉末，以及纳米级的碳化硼粉体、晶体和晶须等和加工碳化硼工程陶瓷制品将成为今后碳化硼发展的主要方向。

传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成，其主要成分为含硅酸盐。工程陶瓷是由氧化物、碳化物、硼化物、硅化物或其它无机非金属材料制成的陶瓷。碳化硼工程陶瓷以碳化硼为主要原料或陶瓷材料中掺入碳化硼与碳化硼纤维组成的复相纤维增强型陶瓷。它可以采用热压、等静压及气相沉积等多种成型方法，碳化硼特种陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能优于普通陶瓷，显示出其特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、吸收中子、防弹和抗辐射、半导体特性等。碳化硼陶瓷可作为工程结构材料应用于机械、电子、化工、冶炼、医学、激光、核反应、宇航等方面。许多经济发达国家在考虑新型产业的发展方向时选择的基础材料就有碳化硼，并投入大量人力、物力和财力研究开发碳化硼陶瓷制品。目前国内碳化硼陶瓷的发展并不迅速，在技术上也有许多需要突破的关键。但是碳化硼陶瓷在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。本世纪初许多科学家预言：碳化硼陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。

碳化硼近年来在应用上引起人们的广泛注意，以其优异的性能成为超硬材料家族中的重要成员。

在碳化硼中，碳与硼都为非金属元素，且原子半径互相接近，其结合方式与一般间隙型化合物不同，正是这种特殊的结合方式使得碳化硼具有许多优良的物理、化学和力学性能。作为结构陶瓷的碳化硼，其最突出的性能是它的高硬度，仅次于金刚石与立方氮化硼，是超硬家族中重要的一员，可以广泛用于制造装甲材料、喷嘴、轴承、模具等。

2017年底全球碳化硼市场价值为1.137亿美元，产量约8394吨。预计在2017至2027年间（预测期），全球碳化硼市场将以4.4％的年复合增长率扩张，到2027年底市值将达1.745亿美元；产品产量则将以3.9%的年复合增长率，到2027年底总量将至12342吨。

第四节 碳化硼的主要应用领域

1 磨料

B4C具有仅次于金刚石和CBN的高硬度，使其可作为一种很好的耐磨材料或减磨材料，用碳化硼取代金刚石磨料，用于硬质合金与工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料，能够显著降低研磨过程的成本。还可以将B4C涂层涂覆在基体上，形成一层保护膜，提高基体的抗磨损性能。如在变速箱的齿轮表面涂覆B4C涂层可有效地提高齿轮的抗磨损性能，提高齿轮寿命。

2 防弹装甲领域

碳化硼的高硬度，低密度使其成为防护材料的理想选择，特别是适合在轻质防护装甲中使用，可有效提高飞机、军用车辆、舰船以及人体的防护能力。然而，碳化硼较低的韧性严重地影响了它的防弹性能，目前材料工作者试图通过添加第二相，如TiB2、SiC、TiC、WC、Si3N4和碳纤维来进行增强，并取得了一定的效果。

3 核工业材料

碳化硼具有较高的中子吸收能力，其中子俘获截面高，俘获能谱宽，B10的热截面高达3 47×10-24cm2，仅次于Gd、Sm、Cd等少数几种元素，但碳化硼的造价低，不产生放射性同位素，二次射线能量低，而且耐腐蚀、热稳定性好，因此在核工业中越来越受到青睐。其主要应用包括：（1）将B104C粉与石墨粉混合制成硼碳砖，用于反应堆外部，防止放射性物质外泄；（2）将B104C粉高温压制成制品，做反应堆控制棒，控制反应堆反应速度；（3）将B104C粉高温压制成制品，做反应堆的屏蔽材料，吸收放射性物质；（4）采用常压烧结工艺，将B104C粉末烧结成块状，用于反应堆的屏蔽材料。

4 温差电偶

利用B4C的热电性，日本和德国烧结制备出可测2200℃的温差电偶，用于高温的测量与控制。它的高热电性和稳定性使其可长期可靠地使用。碳化硼/石墨热电偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之间的氮化硼衬套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达2200 ℃。在600~2200℃之间，电势差与温度线性关系良好。

5 用于其它工程陶瓷材料

碳化硼制作喷砂机用喷嘴、高压水切割机喷嘴、密封环、陶瓷工模具等。特性：碳化硼喷嘴具有耐磨高硬度的特点将逐渐取代已知的硬质合金（钨钢）和碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等材质的喷砂嘴。另外，碳化硼在复合陶瓷领域的应用：碳化硼是共价键很强的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移动阻力很大，较难获得致密的烧结体，除一些特殊的场合，如微晶碳化硼气体动压轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的碳化硼块以外，通常用添加烧结助剂的方法改善碳化硼的烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制品。更为值得注意的是，B4C—SiC复合陶瓷在降低碳化硼陶瓷烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异的物理机械性能。B4C—SiC陶瓷被认为是一种具有广泛应用前景的高温耐蚀、耐磨材料，已在工业喷嘴、泵的密封以及热挤压模等领域获得应用。

近几十年来，由于科学技术的迅猛发展，尤其是电子技术、空间技术、计算机技术的飞速发展，迫切需要有特殊性能的材料。碳化硼因具有很多优良的性能而成为特种陶瓷家族中的重要一员。目前有关碳化硼粉末的制备，碳化硼陶瓷材料的烧结的很多难题都已经迎刃而解了。在未来的材料领域，碳化硼一定能以其优异的性能而占据重要的地位。

6 碳化硼的电性能应用

碳化硼—石墨热电偶由石墨管、碳化硼棒以及两者之间的氮化硼衬套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达2200℃。在600~2200℃之间，电势差与温度线性关系良好。

7 碳化硼作为化学原料的应用

碳化硼粉受卤素活化，可用作钢和其他合金的硼化剂在钢表面渗硼，以生成硼化铁薄层增强材料的强度和耐磨性。碳化硼还可用作一些金属基摩擦材料的非金属添加剂。在还原—化合法制取硼化物粉末时，碳化硼作为硼源，可制得TiB2、ZrB2、CrB2等粉末，称为制取粉末的“碳化硼法”。

8 碳化硼在蓝宝石晶片（LED）中的应用

近年来国家对于LED产业的大力扶持和推动，使得LED产业发展形势趋好，因而给生产和加工蓝宝石晶体的企业带来了很大的商机。由于蓝宝石晶体的强度高、硬度大（莫氏硬度9）给加工企业带来了很大的困难。从材料和研磨学界的角度来看，加工和研磨蓝宝石晶体最好的材料是人造金刚石、碳化硼、二氧化硅。由于人造金刚石硬度过大（莫氏硬度10）在研磨蓝宝石晶片时会对表面产生划伤，影响晶片的透光度，并且价格昂贵。而二氧化硅硬度不够（莫氏硬度7）、磨削力差在研磨工程中费时、费工。因此，碳化硼磨料（莫氏硬度9.3）成为加工和研磨蓝宝石晶体最理想的材料。碳化硼磨料在蓝宝石晶片的双面研磨和蓝宝石基LED外延片背减薄抛光方面有着卓越的表现。国家一些重点大学也针对碳化硼在研磨蓝宝石晶体方面有主要研究。总之，随着LED产业的快速发展，碳化硼也将会迅速崛起。

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