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硼及含硼材料在航空航天、机械制造及电子工业中的应用
[点击量:2949] [作者:admin] [日期:2008-08-09]

  元素硼(B)用的最多的是生产硼纤维。这种纤维即使在直径很小的情况下,也具有高强度,可用于航天技术中的结构材料。复合材料除硼纤维外主要成分是环氧树脂、聚纤胺树脂及钴、铁及其他金属。日本一家公司开发了一种新的硼纤维变体,比碳纤维坚牢度提高40%,它比刚强度高,比铝轻。硼可加入铜、钢、陶瓷、玻璃和有机化合物中,用硼、铬、钼离子或混合物处理飞机涡轮叶板用的钢,其寿命可延长1.5倍。用硼、硅、钛离子处理用于喷射玻璃纤维或合成纤维的超强钴合金或碳化铬的啼丝头,耐磨性增强。硼纤维由于具有模量高、热膨胀低的性能,可制作超速离心机、超导发电机及高受力旋转的机械设备。无定形元素硼粉,在汽车安全气囊中的消费量相当可观。

  钾、钠的硼酸盐既可作为燃机的冷却液、制动液、液压液、缓蚀剂的组分,又可作润滑液的极压液。

  碳化硼在硬度上仅次于钻石,超过碳化硅和碳化钙,用作磨料、抛光工具、钻头。他又具有吸收中子的性能,故用于制造原子反应堆的调节杠。用热压发可由粉末状的碳化硼制造耐热耐磨喷嘴。碳化硼由于质轻可作为舰载直升机的涂层和防弹盗甲。在1968年越战期间,美国军队就配备了大约4万件防弹背心,内装有单片护心板,具有抵抗高速子弹贯穿的能力。

  氮化硼是一种固体润滑剂、脱模剂,俗称“白石墨”。它具有三种变体: 和 ,研究最多的是石墨状立方体氮化硼。氮化硼具有良好的绝缘性、热稳定性、导热性、耐火性。六角形氮化硼用于制造坩锅和化工设备。立方体形氮化硼具有与钻石相近的高硬度,但延性不良,在类钻石(立方体形)商品品种中著名的是Borazon。立方体氮化硼用于研磨硬化钢制件及用于磨削工具,国外发达国家消费量约2t/a,相当于钻石消费量的十分之一。

  及硼化物在机械工业中的一个重要用途是化学热处理渗硼。因为工件腐蚀,加热时氧化烧损等原因,每年钢铁的消耗和浪费量很大。为了减少机械零件的腐蚀和磨 损,延长工件的使用寿命,渗硼是非常有效的方法之一。国外发达国家已普遍应用,我国已逐步在机械行业中推广,在机械制造、汽车、农业、建筑机械、化工设备 以及铸造工业等都有应用。一般应用的硼化物中有氧化硼、碳化硼、无水硼砂。氟硼酸钠、氟硼酸钾、氟硼酸锂、硼的铁以及稀土元素硼化物如硼化铕、硼化铈等。 一般渗硼方法有:

  粉末法:50%B4C+43%Al2O3+4%NaCl+5%KBF4。处理温度950℃,时间3~4h。

  涂渗法:50%B4C+35%CaF2 +15%Na3AlF6。920~950℃,4~6h(注:粘结剂为桃胶水溶液)。

  熔盐法:5%Na2B4O7+10%SiC +20%Na3AlF6+5%B4C+5%Cr2O3+少量KCl。900~950℃,4~6h。

  熔盐电解法:70%Na2B4O7+30%Na2SO3。600~700℃,2~6h(注:电流密度0.2A/dm2)。

  气体法:BCl3:H2=5:100, 850℃,3~6h。

  氟硼酸钾、氟硼酸铵用于产生特种****。氟硼酸铅、氟硼酸亚锡、氟硼酸镍以及氟硼酸锌等氟硼酸盐,可用作电镀液,并可提高电解槽的生产能力及电流密度。

  国外在机械工业上硼化物消费量较大。美国在20世纪50年代末期用作透平推进剂的硼砂就占硼砂生产总量的11%,到20世纪70年代中期,金属玻璃和磨料占硼化物总消费量的2%,而到1976年硼化物用量相当可观,金属喷涂料和电镀用的硼化物(以B2O3计)占全年34万t消费量的10%。

  硼化物在电子及电器工业的应用也相当广泛。1988年美国用于电器设备制造的绝缘玻璃纤维消耗的硼酸盐(以B2O3计)达到10.34万t,占总消耗量的29.1%。

  元素硼(纯度99.999%)在可控硅元件上作掺杂源,氮化硼是彩色显像管生产材料之一。

  六硼化镧用作大功率电子仪表阴极以及带粒子加速器(回旋加速器、同步稳相加速器)的制作材料。另外还用于难熔金属真空电子束焊接装置。

  六硼化钙(CaB6)这种富硼金属化合物不仅是炼钢及其合金的有效脱氧剂,而且还用作核防护材料以及制造热发射阴极。

  硼金属化合物可制作电子仪表的阴极。用人工合成的硼酸镁纤维增强塑料可用作精密仪器的器材。高纯度(99.99%以上)的氮化硼用于半导体元件生产,日本在20世纪70年代采用等离子技术制造,一个公司每年就生产120t。20世纪80年代,日本另一家公司重新研制的这种新型高纯度氮化硼商品名KBN-O,其性能如热导率与铁、铝相似,而其他绝缘性能比氧化钴高3~4倍。在高电压下不易被破坏,其绝缘破坏值为39,它的绝缘耐力和摩擦系数等性能,都优于同类产品。

  高纯度三氯化硼(99.99%)用于光导向装置、超高集成密度电路制造。

  三溴化硼用于半导体元件的生产。

  用硼和稀土元素为基础的材料,可用于汽车启动器的磁铁,代替普通的铁氧体磁铁。其分子式为R2Fe14B的化合物(R为稀土元素)。如钕铁硼(Fe14Nd2B)是新一代含硼永磁材料,有日本住友金属公司和美国通用电气公司于20世纪80年代初开发出来,磁能积为30~45MGQe,这种第三代磁材料市场总销售额接近10亿美元。含硼永磁材料主要用于电动机、发电机、变压器和有关装置中,其化合物包括FeBSi、FeNiBSi和CoFeNiBSi等。另外如高额软磁材料,适用于高额区工作的材料软磁铁氧化,其电阻率比金属高出六倍以上。

  日本已开发记录磁头用非晶形金属(AM),其成分为Co90Fe5Si15B10。它有助于把应力产生的噪音和导磁率减少量降到最低程度。

  非晶型金属材料即所谓的金属玻璃,可用与制造永磁电缆、化学过滤器、反应器、电极和其它化工设备,并可用于制造发电机、变压器、转换开关等用的零件。非晶型金属材料用作电工钢的代用品,如硅钢片。用它制造的变压器铁心,需要的充磁能量低于普通钢,高于其它材料制的铁心。

  日本正在进行用于太阳电池的玻璃基质半导体方面的研究开发,三层半导体中的一层由添加硼的无定形碳化碘组成。