碳化硼陶瓷是新型陶瓷中重要的耐磨損和高硬度結構陶瓷材料。由于硼和碳都為非金屬元素，而且原子半徑接近，其結合方式不同于一般間隙化合物，因此碳化硼陶瓷具有高熔點、超高硬度、低密度、耐磨損和耐腐蝕等許多獨特的優異性能，在國防、核能、航空航天、機械、耐磨損技術等領域，正日益顯示出其廣闊的發展應用前景。

1 碳化硼陶瓷特性

碳化硼這一化合物最早是在1858年被發現的，但直到1934年，化學計量分子式為B4C的化合物才被提出和認知。

碳化硼是目前已知材料中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高達3000kg/mm2；密度低，僅為2.52g/cm3，是鋼鐵的1/3；彈性模量高，為450GPa；熔點高，約為2447℃；其熱膨脹系數低，導熱率較高。此外，碳化硼具有很好的化學穩定性，耐酸耐堿耐腐蝕，在常溫下不與酸堿及大多數無機化合物液體反應，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合液中有緩慢的腐蝕，且與大多數熔融金屬不潤濕，不發生作用。碳化硼還具有很好的吸收中子能力，這是其它陶瓷材料不具備的。

純碳化硼的致密化燒結是極其困難的。這是因為其共價鍵份數達93.94%，高于其他結構陶瓷，如SiC（88%），Si3N4（70%）等。從而使碳化硼內氣孔的消除、晶界和體積擴散的傳質機制需在2000℃以上。例如，普通B4C粉末于2250~2300℃常壓燒結，只能達到80%~87%相對密度。在如此高的溫度下燒結，晶粒會快速粗化與長大，不利于氣孔的排除，將造成大量的殘余氣孔使材料致密度受限制。因此碳化硼的燒結必須采用有效添加劑或進行壓力燒結。

2 碳化硼陶瓷的應用

如前所述，B4C陶瓷具有低密度（密度低于SiC和Si3N4陶瓷）、高硬度（高于SiC和Si3N4）、高彈性模量、耐腐蝕、耐磨損、良好的中子吸收性能，以及良好的高溫半導體特征等，從而在國防、核能和耐磨技術等領域得到廣泛應用。

3.1 防彈裝甲領域

由于B4C陶瓷具有輕質、超高硬和和高彈性模量特性，是防彈背心、防彈頭盔和防彈裝甲的最佳材料，1960年代就開始應用碳化硼陶瓷作為陶瓷裝甲材料。與其它防彈材料（如SiC、Al2O3）相比，B4C陶瓷更輕更硬，特別適宜用于武裝直升機和其它航空器作為防彈裝甲材料，可有效抵擋炮彈。因此，B4C陶瓷一般只用于某些對防護性能有很高要求的特殊場合，如美軍的V22“魚鷹”旋轉翼飛機的機組人員座椅。另外，英軍使用的增強型人體護甲（EBA）也采用了碳化硼陶瓷，其可以防御12.7mm鋼心穿甲彈。

英國BAE系統公司的先進陶瓷分公司生產的碳化硼陶瓷，已用作美軍“攔截者”防彈衣。1997年，美國陸軍在制造技術計劃中確定了陶瓷裝甲工藝的研究項目，該項目主要研究如何低成本大量生產“攔截者”防彈衣系統所需的碳化硼（B4C）輕武器防護插板裝甲。參加這個項目的單位包括美國海軍陸戰隊、美國陸軍士兵與生物化學司令部，專業防務系統公司、Simula磯山公司、Cercom公司、以及CoorsTek公司和Ceradyne公司。到2012年，共有6.8萬套“攔截者”防彈衣投入戰場。

3.2耐磨技術領域

在耐磨技術與工程領域，利用B4C的高硬度制備的各種噴嘴，用于船體除銹的除砂器噴嘴及高壓噴射水切割用噴嘴。B4C噴嘴在嚴酷使用條件下壽命最長，比Al2O3噴嘴的壽命要提高幾十倍，比SiC和WC噴嘴壽命也要長許多，性價比極高，是噴砂加工行業的最佳選擇。B4C的優異化學穩定性，使其可用于泥漿和液態研磨機的噴嘴；由B4C制成的研缽、研磨棒及類似研磨裝置，是化學分析工作中的首選，因為它可避免研磨過程中帶來的磨耗污染。

碳化硼用作其他硬質材料如硬質合金、工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料，取代原來使用的金剛石磨料，可以大大降低研磨過程的成本。例如，碳化硼器件用作氣動滑閥、熱擠壓模、原子能發電廠冷卻系統的軸頸軸承；用作陶瓷氣體渦輪機中的耐腐蝕、耐磨損部件。

3.3核能領域

在反應堆堆芯組件中，中子吸收材料（控制棒、調節棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是僅次于燃料元件的重要功能元件。由于碳化硼的中子吸收截面高，吸收能譜寬，價格低，原料來源豐富，吸收中子后沒有很強的射線二次輻射，從而易于廢料處理。因此碳化硼是一種重要的中子吸收材料。

3.4溫差電偶

利用B4C的熱電性，日本和德國燒結制備出可測2200℃的溫差電偶，用于高溫的測量與控制。它的高熱電性和穩定性使其可長期可靠的使用，對溫度進行重復測量。碳化硼/石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達2200℃。在600~2200℃之間，電勢差與溫度線性關系良好。

3.5其他應用

由于B4C對鐵水穩定，且導熱性好，可以用作機械工業連續鑄模；利用B4C抗強酸腐蝕和抗磨損特性，可用于火箭液體發動機燃料的流量變送器軸尖；B4C還是長壽命陀螺儀中優異的氣體軸承材料，而在飛機、艦船、航天橋飛行器等運載體的慣性導航和慣性制導系統中，陀螺儀是極其重要的敏感器。

3 碳化硼陶瓷的不足之處

隨著燒結技術的發展，碳化硼陶瓷的優異性越來越突出，其產品對于現代工藝技術經常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質等工作環境，具有特殊的使用價值，并在許多領域內有潛在的用途。盡管碳化硼陶瓷獲得了廣泛的應用，但還是存在成本高、斷裂韌性低、燒結溫度過高（約2300℃）、抗氧化能力較差（在空氣中600℃開始氧化，900℃迅速氧化）、對金屬的穩定性較差（除Ag、Cu、Sn、Zn等之外幾乎與所有金屬發生反應形成金屬硼化物）、機加工困難等，這些缺點制約了碳化硼陶瓷塊體材料的大規模應用。因此，今后仍需要按照實際使用環境的要求，來調控B4C陶瓷的結構和性能，并且不斷完善和發展新的燒結技術，從而不斷降低其制造成本，提高其可靠性和強韌性，使碳化硼陶瓷這種優異的工程材料獲得更廣泛的應用。