碳化硼B4C作为研磨/抛光材料在硬质合金上的应用
来源：广州宏武材料科技有限公司 发布时间：2022-11-03浏览量：次
中文名：碳化硼
别名：黑钻石
英文名：Boron Carbide
分子式：B4C
CAS：12069-32-8
外观：灰黑色粉末
硬度：莫氏9.5
碳化硼，在已知最坚硬的三种材料中排名第三（仅次于金刚石和立方相氮化硼），用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的硬度比工业金刚石低，但比碳化硅高。与大多数陶器相比，易碎性较低。具有大的热能中子俘获截面。抗化学作用强。不受热氟化氢和硝酸的侵蚀。溶于熔化的碱中，不溶于水和酸。相对密度2.5左右，熔点2350℃。沸点3500℃。
碳化硼因具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点。在耐磨材料、陶瓷增强相，尤其在轻质装甲，反应堆中子吸收剂等方面使用。此外，和金刚石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加广泛，在某些地方可以取代价格昂贵的金刚石、常见在磨削、研磨、钻孔等方面的应用。
碳化硼在材料方面应用广阔：
1、碳化硼作为磨料，应用于工程陶瓷、宝石、硬质合金等的研磨和抛光等；
2、碳化硼硬度高，可用于制作喷砂嘴及高压喷水切割的喷嘴；
3、碳化硼耐腐蚀性好、化学性质稳定，可以用来制作火箭液体发动机燃料的流量变送器的轴尖或用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀耐摩擦器件；
4、碳化硼对铁水稳定性和导热性好，可用作机械工业上的连续铸模。
蓝宝石是大规模集成电路绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上的硅(SOS)及超导纳米结构薄膜等理想的衬底材料。近年来，碳化硼逐渐代替之前的金刚石来研磨蓝宝石晶片。
在工业加工中，蓝宝石表面从原料粗糙面到镜面光滑，需要经历三道加工工艺：粗磨、精磨和抛光。在粗磨工段中，蓝宝石原料片表面的划痕数量会减少，深度减小。同一批来料的蓝宝石厚度差有时会高达10~20 um。在粗磨工艺后，批量蓝宝石的厚度差会缩小至1~3 um。在第二道工艺（精磨）中，蓝宝石的总厚度偏差（TTV）和表面粗糙度（Ra）会进一步减小。蓝宝石表面开始出现透光现象。在第三道工艺（抛光）中，蓝宝石的表面粗糙度（Ra）会减小至0.5 nm，此时蓝宝石表面平滑，面板透亮。
在每一道加工工艺后，蓝宝石晶片的总厚度偏差和表面粗糙度会逐渐减小。作为表面加工的第一道工艺，粗磨工段尤其重要。晶片在此阶段最容易产生不可修复的深度划伤。蓝宝石的硬度大，一般的磨料对蓝宝石没有切削力。如果单从磨料硬度角度考虑，金刚石磨料看似最合适。然而，由于用金刚石磨料抛光的表面会被物理刮掉，因此会在表面留下划痕和其他应力。目前生产蓝宝石衬底片时产生裂痕和崩边现象的比例比较高，占总数的5％~8％，后的研磨和抛光工序中速率很低，并且加工后的蓝宝石片表面划痕较重，有20％左右的宝石片表面有粗深划痕，需返工，重新研磨抛光，这样就大大提高了蓝宝石衬底片加工的成本。因此，如何在提高蓝宝石表面光洁度和全局平坦化质量的同时并保证一定的蓝宝石的抛光速率，是蓝宝石加工处理中的一大难题。
与常规研磨蓝宝石（莫氏硬度9）晶体的金刚石磨料（莫氏硬度10）相比，碳化硼磨料具有硬度略低（莫氏硬度9.3）、价格便宜、磨削能力稍弱，且研磨后晶体表面划伤的概率较小的特点，因此，采用碳化硼磨料进行蓝宝石晶体研磨有利于获得较小的亚表面损伤。
碳化硼除了在蓝宝石粗磨中优势明显，其与其他研磨粒子的复合粒子在提升提高蓝宝石化学机械抛光表面质量和加工效率也非常值得探索应用。
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