母合金專用硼粉性質(zhì)、用途與生產(chǎn)工藝
硼由漢弗萊·戴維爵士和JL Gay-Lussac爵士于1808年發(fā)現(xiàn)。硼是一種三價(jià)非金屬元素，廣泛存在于蒸發(fā)礦砂，硼砂和方鈉石中。硼從未作為地球上的游離元素被發(fā)現(xiàn)。硼以木炭灰色碎片或黑色粉末或結(jié)晶狀出現(xiàn)。是一種非常硬的黑色材料，具有很高的熔點(diǎn)；并且以許多多態(tài)形式存在。
硼有幾種形式，最常見的是無(wú)定形硼，一種深色粉末，對(duì)氧氣，水，酸和堿不反應(yīng)。它與金屬反應(yīng)形成硼化物。硼是植物必需的微量元素。硼酸鈉在生化和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中用于制備緩沖液。硼酸主要由硼酸鹽礦物與硫酸反應(yīng)生成。硼酸是用于紡織品的重要化合物。硼在經(jīng)濟(jì)上最重要的化合物是十水合四硼酸鈉或硼砂，用于絕緣玻璃纖維和過硼酸鈉漂白劑。硼的化合物用于有機(jī)合成，制造特定類型的玻璃以及用作木材防腐劑。硼絲強(qiáng)度高，重量輕，因此用于先進(jìn)的航空航天結(jié)構(gòu)。
硼是元素周期表第2周期ⅢA族元素，化學(xué)符號(hào)B，原子序數(shù)5，相對(duì)原子質(zhì)量10.811，外圍電子排布式2s22p1，價(jià)電子數(shù)(3)少于價(jià)軌道數(shù)(4)，是缺電子原子，可形成缺電子化合物。硼為非金屬元素，天然存在的硼由兩種穩(wěn)定的同位素硼-10(豐度為19.78%)和硼-11(豐度為80.22%)組成。硼有無(wú)定形和結(jié)晶形兩種單質(zhì)，無(wú)定形硼為棕黑色或黑色粉末；結(jié)晶形硼為烏黑色或銀灰色有光澤，硬度與金剛石相近。共價(jià)半徑82pm，離子半徑20pm，電離勢(shì)800.0kJ/mol，電負(fù)性2.0，主要氧化數(shù)+3。無(wú)定形硼密度2.3g/cm3，晶形硼密度2.31g/cm3，熔點(diǎn)2300℃，沸點(diǎn)2550℃。晶態(tài)硼已知有八種同素異形體。單質(zhì)硼晶體是由B-12正十二面體的基本結(jié)構(gòu)單元組成的。結(jié)晶硼屬于原子晶體，因此，結(jié)晶硼的硬度大，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)不夠活潑。
硼在自然界中總是以含氧化合物的形式存在，主要是硼酸及各種硼酸鹽。硼酸含于某些溫泉水中，各種硼酸鹽中最為人們熟悉的是硼砂，此外在工業(yè)上重要的還有硼鎂礦2MgO·B2O3·H2O和硼鈣礦2CaO·3B2O3·5H2O。
公元前2000年古埃及、羅馬、巴比倫人曾用硼砂生產(chǎn)玻璃和焊接黃金。硼的化學(xué)加工始于18世紀(jì)初，1702年霍姆貝(G.Homubbi)用天然硼砂礦與硫酸亞鐵反應(yīng)首先制得了硼酸，1808年英國(guó)化學(xué)家戴維(H.Davy)和法國(guó)化學(xué)家蓋·呂薩克(J.L.Gay-Lus-sac)及泰勒爾(L.J.Thenard)幾乎是同時(shí)用金屬鉀還原硼酸首先制得了元素硼，但所得硼純度只有50%。1892年法國(guó)人穆瓦桑(H.Moissan)用金屬鎂還原硼酸酐制得純度為98.3%的硼。1909年溫得勞布(E.Weintnaub)用氫和三氯化硼混合氣流在冷銅陽(yáng)極的電弧上還原才制得純度超過99%的高純硼。
自從本世紀(jì)60年代合成出了一系列硼氫化合物開始，人們看到硼化學(xué)的前景，隨后不僅對(duì)硼原子成鍵特點(diǎn)、硼單質(zhì)和化合物的結(jié)構(gòu)研究有較大的突破，而且研制出一系列在現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)防中有重要應(yīng)用價(jià)值的硼化合物，致使硼成為20年來(lái)無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究得最多的一種元素。
納米硼粉是一種高能量的燃燒組分，元素硼的體積熱值（140kj/cm3）和質(zhì)量熱值（59kg/g）遠(yuǎn)大于鎂、鋁等其他單分子含能材料，且硼粉是很好的 燃料，特別是納米硼粉有較高的燃燒效率，因此將納米硼粉添加到火炸藥或推進(jìn)劑中能顯著提高含能材料體系的能量。
硼的地殼豐度為9×10-4%，海水中含硼48×10-5%。已發(fā)現(xiàn)約150多種硼礦，主要有硼砂礦、硼酸礦、硼酸鹽礦、硅硼酸鹽礦等。天然硼砂礦(Na2O·B2O3·10H2O) 主要產(chǎn)于干旱地區(qū)鹽湖和干鹽湖的蒸發(fā)沉積物及淤泥中，與石鹽、天然堿、無(wú)水芒硝、鉀芒硝、石膏等共生，在干旱地區(qū)還呈硼霜產(chǎn)于土壤表面;硼鎂石(2MgO·B2O3·H2O)，產(chǎn)于侵入體及鎂質(zhì)石灰?guī)r或白云巖的接觸帶中，與硼鎂鐵礦等無(wú)水硼酸鹽礦物、金云母、硅鎂石等共生; 硼鎂鐵礦( (MgFe)2Fe (BO3)O2)，產(chǎn)于蛇紋化石白云石大理巖或鎂矽卡巖中，常與磁鐵礦、硅鎂石、透輝石、金云母等共生。此外，還有硬硼鈣石 (2CaO·3B2O3·10H2O)，堿性干鹽湖往往沉積有硼酸鹽礦。
世界硼酸鹽儲(chǔ)量約335～748Mt，資源分布很集中，僅美國(guó)和土耳其便占世界硼總儲(chǔ)量的95%。中國(guó)青海、西藏和遼寧(營(yíng)口、鳳城、寬甸、集安)都有豐富的硼資源。
硼在玻璃搪瓷工業(yè)、航天航空工業(yè)、核工業(yè)、冶金工業(yè)等部門都有廣泛的應(yīng)用。硼纖維強(qiáng)度高(室溫下斷裂強(qiáng)度達(dá)2744～3430MPa)、彈性模量高(39200～411600MPa)，是優(yōu)良的增強(qiáng)材料。硼纖維與金屬(鋁、鎂、鈦等)、各種樹脂(環(huán)氧樹脂、聚胺等)和陶瓷制成的復(fù)合材料，是優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料。這種高溫結(jié)構(gòu)材料用于軍事工業(yè)和航天航空工業(yè)，如硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣葉片、風(fēng)扇和飛機(jī)、衛(wèi)星的耐熱部件。硼化鈦顆粒增強(qiáng)體陶瓷具有優(yōu)良的耐磨性和高的韌性(可達(dá)10MPa·m1/2以上)，被用來(lái)制造加熱設(shè)備和點(diǎn)火裝置的電導(dǎo)部件和超高溫工作條件下的耐磨結(jié)構(gòu)件。硼化鋯陶瓷用于火箭噴管和高溫發(fā)熱元件。硼是熱中子堆理想的控制材料，天然硼具有足夠大的中子吸收截面，可直接用作反應(yīng)堆控制材料。10B(n，a)7Li反應(yīng)的熱中子吸收截面大，可用作反應(yīng)堆的中子吸收劑和屏蔽材料。硼鋼、碳化硼、硼硅玻璃等以棒材、板材或水溶液等形式用作各種反應(yīng)堆的控制材料。10BF3用于制作中子計(jì)數(shù)器。硼在高溫下性質(zhì)特別活潑，容易與氮、氧作用，在冶金工業(yè)中用作除氣劑和改善金屬晶粒結(jié)構(gòu)的添加劑。硼鐵、硼硅、硼鋁、硼鎳等廣泛用于煉制合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼、不銹鋼等。硼可提高鑄鐵的韌性、耐磨性，含硼鑄鐵廣泛用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等制造業(yè)。元素硼還用作烯族有機(jī)物的聚合、脫氫反應(yīng)的催化劑，硼化鑭陶瓷用作電子裝置的陰極材料，單晶LaB6用作場(chǎng)致發(fā)射體的大功率管、磁控管的陰極材料。硼酸鋰單晶用于制造遠(yuǎn)紅外、可見光及紫外波段高功率脈沖激光的倍頻、和頻、參量振蕩和放大器以及腔內(nèi)倍頻器。
工業(yè)上有4種制取元素硼的方法，它們是鹵化物氫還原法、金屬熱還原法、熔鹽電解法和熱分解法。
(1)鹵化物氫還原法。使氫和三氯化硼的混合氣流在熱的鉭絲或鎢絲上分解沉積出晶形硼，反應(yīng)為：2BCl3+3H2→2B+6HCl。
此法可得到純度高達(dá)99.999%的高純硼。
(2)金屬熱還原法。原料有硼酸、硼氧化物、氟硼酸鹽、氫硼化物，還原劑可采用金屬鋰、鈹、鈉、鎂、鋁、鉀、鈣、鐵、鋅、汞以及半金屬硅。較多采用鎂還原硼酸，其反應(yīng)為：2HBO3+5Mg→2B+5MgO+H2O。
(3)熔鹽電解法。有3種熔鹽體系：a.B2O3+KCl體系;b.KBF4-KCl體系;c.KBF4-KF-KCl體系或KBF4-KCl-NaCl體系。電解時(shí)采用碳化硼陽(yáng)極，產(chǎn)品元素硼純度較低，一般在87%～99.8%水平。
(4)熱分解法。還原原料限于鹵硼化物和氫硼化物，如溴化硼、碘化硼、乙硼烷等，分解溫度在1073～1773K范圍。此法可獲較高純度的硼。
硼在動(dòng)物和人類中的營(yíng)養(yǎng)重要性已得到廣泛研究。越來(lái)越多的證據(jù)表明硼可能是動(dòng)物和人類必不可少的元素。許多營(yíng)養(yǎng)學(xué)家認(rèn)為，飲食中更多硼的攝入會(huì)給身體（例如中樞）狀況帶來(lái)益處。硼對(duì)人類的不良健康影響是有限的。但是，攝入/吸入會(huì)引起粘膜刺激和硼中毒。已知短期在工作區(qū)接觸硼會(huì)刺激眼睛，上呼吸道和鼻咽，但隨著進(jìn)一步接觸的停止，刺激會(huì)消失。短時(shí)間內(nèi)攝入大量硼（約30g硼酸）會(huì)影響胃，腸，肝，腎。
硼單質(zhì)有無(wú)定形和結(jié)晶形兩種，前者為棕黑色到黑色粉末，后者呈烏黑色到銀灰色，并有金屬光澤，無(wú)定形硼相對(duì)密度為2.3，晶態(tài)硼具有由多個(gè)硼原子組成的各種多面體的基本結(jié)構(gòu)單元 (如B12二十面體)，是原子晶體。熔點(diǎn)約為2300℃，沸點(diǎn)為2550℃，相對(duì)密度為2.34，硬度僅次于金剛石，較脆。在室溫下無(wú)定形硼在空氣中緩慢氧化，在800℃左右時(shí)能自燃。硼與鹽酸或氫氟酸即使長(zhǎng)期煮沸也不起作用，它能被熱濃硝酸和重鉻酸鈉與硫酸的混合物緩慢侵蝕和氧化，過氧化氫和過硫酸銨也能緩慢氧化結(jié)晶硼。這些試劑與無(wú)定形硼作用激烈; 與堿金屬碳酸鹽和氫氧化物混合物共熔時(shí)，所有各種形態(tài)的硼都被完全氧化; 氟、氯、溴與硼作用形成相應(yīng)的鹵化硼; 約在600℃時(shí)硼與硫激烈反應(yīng)生成一種硫化硼的混合物; 硼在氮或氨氣中加熱到1000℃以上時(shí)則形成氮化硼; 溫度在1800～2000℃時(shí)硼和氫仍不發(fā)生反應(yīng); 硼與硅在2000℃以上時(shí)反應(yīng)生成硼化硅; 高溫時(shí)硼能與許多金屬和金屬氧化物反應(yīng)，生成金屬硼化物。由于硼在高溫時(shí)特別活潑，因此冶金上用做鐵、錳和其他金屬的合金劑、鋼和銅的脫氧劑，也用于鍛鐵的熱處理，增加合金鋼高溫強(qiáng)固性。硼還用于原子反應(yīng)堆和高溫技術(shù)中，棒狀和條狀的硼鋼在原子反應(yīng)堆中廣泛用做控制棒。由于硼具有低密度、高強(qiáng)度和高熔點(diǎn)等性質(zhì)，可用來(lái)制作導(dǎo)彈和火箭中所用的某些結(jié)構(gòu)材料。硼的化合物在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、玻璃工業(yè)等方面用途也很廣泛。它是植物生長(zhǎng)必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素。用活潑金屬高溫還原硼的氧化物，用氫還原硼的鹵化物，用碳熱還原硼砂，熱分解硼氫化合物以及電解熔融硼酸鹽或其他含硼化合物等都可制得單質(zhì)硼，用這些方法所得的粗產(chǎn)品均應(yīng)經(jīng)真空除氣或控制鹵化，才可能得到高純硼。
無(wú)定形硼的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，室溫時(shí)在空氣中緩慢氧化，700℃以上能燃燒，生成氧化硼B(yǎng)2O3并放出大量的熱，常溫下跟氟化合生成三氟化硼B(yǎng)F3，加熱時(shí)跟氯、溴、硫等化合，高溫時(shí)還與碳、氮或氨反應(yīng)，分別得到硬度很大的碳化硼B(yǎng)4C、氮化硼(BN);加熱時(shí)跟水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化硼并放出氫氣，2B+6H2O=2B(OH)3+2H2。
硼和氧的親和力很強(qiáng)，它能從許多金屬氧化物或非金屬氧化物中奪取氧，所以硼可做還原劑。硼跟某些金屬化合生成金屬硼化物。硼很難和氫化合。硼不跟鹽酸和氫氟酸反應(yīng)。但可被濃硫酸或濃硝酸氧化：（1）B+2HNO3=H3BO3+2N2O （2）2B+3H2SO4=2H3BO3+2NO2。
硼跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成偏硼酸鈉并放出氫氣：2B+2NaOH+2H2O=2NaBO2+3H2。
硼跟硅在2000℃以上時(shí)反應(yīng)生成硼化硅。過氧化氫或過硫酸銨能緩慢氧化結(jié)晶硼，熱濃硝酸和重鉻酸鈉與硫酸的混合物也能緩慢地氧化晶態(tài)硼。上述試劑跟無(wú)定形硼反應(yīng)激烈。跟堿金屬碳酸鹽和氫氧化物混合共熔時(shí)，各種形態(tài)的硼都能被完全氧化。由于硼在高溫時(shí)化性很活潑，因此被用做冶金時(shí)的除氣劑，煅鐵熱處理時(shí)，硼能增加合金鋼的高溫強(qiáng)固性。因硼有吸收中子的特性，棒狀或條狀硼鈉在原子反應(yīng)堆中用做控制棒，由于硼有低密度、高強(qiáng)度和高熔點(diǎn)等特性，可用來(lái)制導(dǎo)彈和火箭的結(jié)構(gòu)材料。制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置和變壓器熱斷電器。熱電偶中也用到硼。用硼、鈷、鈦、鎳可制成耐高溫超硬質(zhì)金屬陶瓷。硼在自然界中豐度不大，沒有游離態(tài)，主要礦物有硼砂和硼鎂礦。1808年，英國(guó)戴維和法國(guó)的蓋呂薩克、泰納、用鉀還原硼酸制得硼。通常將三氧化二硼及鹵化硼用氫氣或活潑金屬還原：3Mg+B2O3=3MgO=2B。
將氫氣和三溴化硼或三氯化硼的混合氣體通過1200～1400℃的鎢絲或鉭絲可得到硼：2BBr3(氣)+2H2=(1200-1400)=2B+6HBr(氣)。
電解熔融的KBF4，可以得到更純的硼。
化學(xué)性質(zhì)
灰黑色帶有光澤的晶體。其溫度和晶型的關(guān)系是：＞1300℃為高溫菱形(β-型)；1000～1300℃為四方晶型；800～1000℃為低溫菱形晶(α-型)。相對(duì)密度2.34～2.37。熔點(diǎn)2300℃，升華溫度2550℃。不溶于水、鹽酸、乙醇和乙醚?？扇苡诶涞臐鈮A溶液中并分解出氫氣。能被濃硝酸、濃硫酸和王水氧化成硼酸?；瘜W(xué)性質(zhì)比較活潑。在空氣中和常溫下穩(wěn)定，加熱至300℃被氧化，700℃即著火。燃燒時(shí)火焰呈紅色，微量氣化的硼火焰呈綠色。在高溫時(shí)能與氧、氮、硫、鹵素及碳相互作用?？膳c許多金屬直接化合，生成金屬硼化物。與有機(jī)化合物反應(yīng)可生成-B-C-或-B-O-C-化合物。
用途
用于半導(dǎo)體材料硅的摻雜、耐高溫材料、高溫大功率半導(dǎo)體及金屬噴涂添加劑
用途
對(duì)塑料如環(huán)氧樹脂及金屬類如鈷、鎢等起增強(qiáng)作用。能與鋁、鈦復(fù)合制成高性能復(fù)合材料。該復(fù)合材料可在高溫下連續(xù)工作。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料取代鈦用于制造轟炸機(jī)，既減輕了重量，又降低了成本。還可用于原子反應(yīng)堆的防護(hù)板，從而防止輻射。
用途
用作半導(dǎo)體摻雜劑、高純?cè)噭┑取?
用途
用于半導(dǎo)體材料硅的摻雜、耐高溫材料、高溫大功率半導(dǎo)體及金屬噴涂填加劑
生產(chǎn)方法
高純?cè)嘏鹬圃旆椒ㄖ杏宣u化硼(如BCl3、BBr3)氫氣還原法。氫化鈉還原法先是在氫化反應(yīng)器中由氫氣和金屬鈉制得氫化鈉，然后加入帶有攪拌器和冷凝器的反應(yīng)器中，稍加熱后緩緩滴加三氟化硼乙醚絡(luò)合物，生成的乙硼烷氣體經(jīng)干燥、精制后送人電加熱的石英玻璃裂解器中，在高溫下裂解析出元素硼。其
2Na+H2→2NaH
6NaH+8BF3·(C2H5)2O→6NaBF4+B2H6+8(C2H5)O
B2H6→2B+3H2
生產(chǎn)方法
以三氯化硼為原料，加熱至800℃以下在氣相中用氫還原反應(yīng)，制得高純無(wú)定形硼。其
2BCl3+31-12→2B+6HCl
生產(chǎn)方法
硼纖維通常采用氣相化學(xué)沉積法。將連續(xù)通入反應(yīng)管的鎢絲直接通電加熱到1000～1200℃。在反應(yīng)管中通入Ba3和H2的混合氣體，在鎢絲的表面引起反應(yīng)，形成硼纖維。其
2BC13+3H2→2B+6HCI
生產(chǎn)方法
鋁還原法將工業(yè)硼砂在常壓下置于溫度750℃以上的熔融爐里脫水成無(wú)水硼砂，經(jīng)冷卻、粗碎并細(xì)碎到規(guī)定的細(xì)度，按配料比與硫黃和鋁粉充分混合，投入鑄鐵反應(yīng)爐，在高溫下進(jìn)行反應(yīng)。冷卻后將熔塊從爐中取出，粉碎，先用鹽酸浸洗，再用氫氟酸浸洗，然后水洗和堿洗(5%氫氧化鈉溶液)，最后再用水洗。分離、干燥，得晶體元素硼成品。其
Na2B4O7+4Al→4B+Na2Al2O4+A12O3
類別
有毒物質(zhì)
毒性分級(jí)
中毒
急性毒性
口服-大鼠 LD50: 650 毫克/公斤; 口服-小鼠 LD50: 560 毫克/公斤
爆炸物危險(xiǎn)特性
硼塵在空氣中自燃可爆炸; 與氟化鉛或氟化銀接觸可爆炸
可燃性危險(xiǎn)特性
在空氣中硼塵易燃; 與氯氣或氟氣接觸室溫可自燃
儲(chǔ)運(yùn)特性
庫(kù)房通風(fēng)低溫干燥, 密閉, 與PBO, NA2O2, NOx,KNO2,OF2,FNO2, NH3, BR等分開存放
滅火劑
水,干粉、二氧化碳
母合金專用硼粉
上下游產(chǎn)品信息
上游原料
下游產(chǎn)品