基礎:什麼是陶瓷?
硼化物陶瓷
硼化物陶瓷把金屬和硼結合起來。最有名的是二硼化鈦 TiB2 與二硼化鋯 ZrB2,緻密、堅硬,也是人類能造出的最耐熱固體之一,熔點超過攝氏3000度。若說氧化物是穩定的一支、碳化物是硬的一支、氮化物是韌的一支,那硼化物就是極端高溫的一支,專為高超音速載具的前緣而生。
硼化物有一種不尋常的混合鍵結:共價的硼-硼網路,加上透過金屬原子的金屬鍵。所以,對陶瓷而言頗奇特地,它們相當能導電也能導熱,同時又維持極硬與耐火。過渡金屬二硼化物(TiB2、ZrB2、HfB2)是超高溫陶瓷(UHTC)的招牌成員;這一類材料的定義,就是熔點高於約攝氏3000度。
硼化物出現在高超音速與再入載具的 UHTC 前緣與噴嘴、(因為能導電而用作)電極與蒸鍍舟,以及非常硬的耐磨與裝甲元件,且常與 SiC 結合以改善抗氧化性。誠實的限制是:純二硼化物很難緻密化(需要極高溫或加壓輔助燒結),而且在熱空氣中會氧化,生成液態的氧化硼 B2O3,這層液體有時能保護、有時(超過其有效範圍時)又會蒸發掉,所以 UHTC 的設計,關乎氧化皮不亞於關乎硼化物本身。
一架尖銳的高超音速載具的前緣,在超過攝氏2000度下灼灼發光,可能就是二硼化鋯(ZrB2)混合碳化矽,選用這種硼化物超高溫陶瓷,是因為在那樣的高溫下幾乎沒有別的材料還能維持固態並守住形狀。
金屬加硼:超級耐火(熔點超過攝氏3000度),且對陶瓷而言不尋常地能導電。
硼化物落在陶瓷是絕緣體這個刻板印象之外,它們的金屬鍵使許多硼化物成為良導體,這正好提醒我們:性質規則是傾向,不是定律。
另見