摘要：本文通过采用碳热还原法，研究了高B6.5C相含量碳化硼粉末的制备工艺，通过X射线分析结果证明，提高冶炼温度和延长冶炼时间是制备高B6.5C相含量碳化硼粉末的重要手段，可获得质量分数大于85%的碳化硼粉末，其化学成分可以达到核工业级标准的要求。
　　关键词：B6.5C相；碳化硼；碳热还原法 1. 引言 碳化硼（B4C）由于其共价键的性质而具有较高的熔点、较高的硬度、耐磨性好、耐酸碱腐蚀、密度小等性质。在碳化硼中，硼和碳同为非金属元素，且原子半径互相接近，其结合方式与一般填隙型化合物不同。正是由于这种特殊的结合方式，使其具有很高的热中子吸收能力，可以作为核反应堆控制棒和屏蔽材料，具有热电性、自润滑性和自抛光性等性质。在核工业中，使用碳化硼的标准比在其他方面的要求有很大的区别，通常使用的碳化硼相成分是B4C，而核工业标准要求为B6.5C。 碳化硼化合物粉末自1858年被发现以来，迄今已发现16种，即：B16C、B12C3、B12C13、B17C3、B6C、B7C、B8C、B13C2、B13C、B12C、B2C2、B3C、BC2、B11C4、B96C12和B45C2。大多数学者认为，碳化硼化合物存在一个相当广的均相区，化学计量的B4C是一种理想情况。B4C的基本结构是12个硼原子与3个碳原子构成单位晶胞。其中12个硼原子构成菱形12面体，3个碳原子可以以固溶形式进入B4C晶格空隙中，这就使碳化硼化合物中硼、碳原子比可以突破4:1的界限向两边延伸，形成多种碳硼化合物[1]。当碳原子取代硼20面体对角线上全部3个硼原子时，这时的化学式可写成B12C3，即B4C。实际工业化生产中，碳化硼粉末的生产不仅是B4C相，还存在着B4.66C，B5.66C，B6.5C等一系列碳化硼化合物。 为了获得满足核工业级标准所要求的高B6.5C相，其质量分数超过85%的碳化硼粉末，本文通过采用电弧炉碳热还原法制备了高B6.5C相含量碳化硼粉末，通过X射线衍射法，对碳化硼粉末进行了定量分析。 2.实验方法 将工业硼酸和炭素材料进行混合，在立式电弧炉中冶炼，理想方程式为： （1） 根据方程式（1）和冶炼过程的实际消耗看，参考碳化硼化合物组图（见图1）可以看出，除包括富碳的BC2和富硼的B12C两相外，还包括具有较宽溶解度的B13C2和B4C两相区。在图1中反应中，Elliott研究的B-C相图，让大家接受了只存在一个硼碳化合物的结果，其中w（C）=8.8%～20.0%，液相线在成分B13C2处达到最高点（2450℃）[2]。随着研究的深入，有学者提出B13C2和B4C均为两个独立的相，并推测B4C在2250℃发生包晶反应，分解为稳定的B13C2液相。通过以上分析认为碳化硼粉末中B6.5C相的含量主要受配料中硼酸量值、冶炼温度和冶炼时间的影响。 由于元素B的熔点在2000～2150℃范围，为了获得B6.5C质量分数较高的碳化硼粉体，必须适当增加硼酸的加入量。本实验中硼酸过量50%左右，根据硼酸过量的具体数值，将冶炼温度T提高为2200～2500℃，冶炼时间t延长为3～7h，获得碳化硼块体材料。经鄂式破碎机、搅拌球磨机破碎后，酸洗、分级制备成混合粒度的粉末。将不同冶炼温度和时间所获得的粉体采用X射线衍射方法进行相分析，如图2（a）~（e）所示。化学成分分析采用YS/T423.5-2000标准进行，反应产物的相组成分析在日本理学电机(Rigaku)D/Max-rB旋转阳极X射线衍射分析仪(XRD)上进行，用来初步确定材料的主要成分。实验条件如下：Cu靶，Kα，Ni滤波片；管电压为40kV，管电流50mA；狭缝尺寸DS=1°，RD=0.15，SS=1°，扫描速度10°/min。 根据XRD图谱，分别计算了不同冶炼温度和时间条件下，碳化硼粉末中B4C相、B6.5C相和C相的相对质量百分比，如表1所示。将其中编号为B-1、B-3、B-5的大块破碎进行化学分析，平均值见表2。综合实验结果发现，提高冶炼温度和延长冶炼时间是制备高B6.5C相含量碳化硼粉末的重要手段，可获得质量分数大于85%的碳化硼粉末。考虑到硼酸的过量值对高B6.5C相含量碳化硼粉末的化学成分和杂质含量产生一定的影响，将在后续的研究中进行深入研究。 3 结论 通过用电弧炉碳热还原法，可以制得B6.5C质量分数大于85%的碳化硼粉末。通过X射线分析结果证明，提高冶炼温度和延长冶炼时间是制备高B6.5C相含量碳化硼粉末的重要手段，并可实现满足核工业级标准要求的高B6.5C质量分数碳化硼粉末。考虑到硼酸的过量值对化学成分及杂质含量的影响，有待进行后续研究。 参考文献 [1]王零森.B4C的掺碳活化烧结[J].粉末冶金材料科学与工程，1997（4）：260-264 [2]唐国宏.碳化硼基多相超硬材料系统研究[D].北京：北京航空航天大学，1993