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碳化硼陶瓷的制備
碳化硼陶瓷的制備
1 碳化硼陶瓷的制備方法
1.1 碳化硼粉末的合成
根據合成碳化硼粉末所采用的反應原理、原料及設備的不同，碳化硼粉末的工業(yè)制取方法主要有高溫自蔓延合成法（SHS）和碳管爐、電弧爐碳熱還原法，近年來還出現了激光化學氣相反應法、溶膠－凝膠碳熱還原法等。
1.1.1 碳管爐、電弧爐碳熱還原法
這是合成碳化硼粉末最常用的方法，早在化學計量的B4C被確定（1934年）后不久，電爐生產工業(yè)碳化硼的研究即取得成功，碳化硼作為磨料開始在工業(yè)上得到應用。將硼單質或含硼的化合物與碳粉或含碳的化合物均勻混合后放入高溫設備，例如碳管爐或電弧爐中，通以保護氣體或N2在一定溫度下合成碳化硼粉末，基本的化學方程式為：
2B2O3(4H3BO3)+7C=B4C+6CO2(g)+6H2O(g)
這種方法的優(yōu)點是：設備結構簡單、占地面積小、建成速度快、工藝操作成熟、穩(wěn)定。但該法也有較大的缺陷，包括能耗大、生產能力較低、高溫下對爐體的損壞嚴重，尤其是合成的原始粉末平均粒徑大（20～40μｍ），作為燒結碳化硼的原料還需要大量的破碎處理工序，大大增加了生產成本。
1.1.2 自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法（SHS）是利用化合物合成時的反應熱，使反應進行下去的一種工藝方法。由前蘇聯(lián)物理化學研究所的MerzhahovG，BorovlnskayaLp發(fā)明，并成功制備了多種高純度的陶瓷粉末，例如B4C、BN等。由于此法制備碳化硼時多以鎂作為助熔劑，故又稱鎂熱法。與其他方法相比，具有反應溫。度較低（1273～1473K）、節(jié)約能源、反應迅速及容易控制等優(yōu)點，所以合成的碳化硼粉的純度較高且原始粉末粒度較細（0.1～4μｍ），一般不需要破碎處理，是目前合成碳化硼粉的較佳方法，缺點是反應物中殘留的MgO必須通過附加的工藝洗去，且極難徹底除去。
1.1.3 激光誘導化學氣相沉積法
激光誘導化學氣相沉積法（LICVD）是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產生熱分解或化學反應，經成核生長形成超細粉末。
1.1.4 溶膠－凝膠碳熱還原法
溶膠－凝膠法（sol-gel）是指無機物或金屬醇鹽經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理合成化合物的方法。由于提供硼源的硼化物很難與其他無機物或有機物形成凝膠，故用此法合成碳化的報道較少。
1.2 碳化硼陶瓷材料制備的一般方法
特種陶瓷的主要制備工藝是粉末制備、成型和燒結。的塑性很差，晶界移動阻力很大，固態(tài)時表面張力很小，這一切都是阻礙燒結的因素。無任何添加劑的常壓燒結要想得到較高致密度的產品，要求的條件很苛刻，例如粉末粒度要盡可能�。ㄐ∮�3μｍ），粉末粒度大于8μｍ是不可能進行無添加劑常壓燒結的；燒結溫度高（2250～2280℃），接近碳化硼的熔點（2400℃）。所以，常壓燒結通常添加各種燒結助劑以促進燒結。添加物可以分為金屬和無機非金屬兩大類。燒結溫度小于1800℃和添加Gr、Co、Ni、Al、玻璃等常壓燒結時，最終密度小于78%。添加Si、Al、Mg、TiB2、GrB2、SiC、Be2C以及SiC＋Al、B＋C、B＋Si＋W2B5等在溫度較高(2150～2250℃）燒結時有助于提高致密度。以少量碳為燒結添加劑的優(yōu)點是不引入除碳、硼以外的第三元素，較加入第三元素（如Si、Al、Mg、Ti、F、Ni等）為添加劑的材料碳化硼的結構和性質沒有大的變化，故而受到特別的重視。加入的碳通常通過葡萄糖、酚醛樹脂等有機先驅物熱分解而來。熱致密化主要包括熱壓和熱等靜壓
兩種方法。工業(yè)上制備形狀簡單的主要靠熱壓。在真空和惰性氣氛中，純碳化硼制品熱壓條件一般為：溫度2050～2100℃、壓力30～40MPa、高強石墨模具、保溫保壓15～45min。制品的密度、孔隙度和微觀結構取決于具體的熱壓條件。熱等靜壓可進一步降低燒結溫度至小于1727℃而獲得致密產品。也有將微波燒結、反應燒結、爆炸成型等技術用于碳化硼燒結。
近10年來，關于碳化硼陶瓷的研究取得了可喜進展，但不同的研究者僅從致密化或韌化角度對材料進行改善，或僅采用一種或兩種方法對其進行致密化，因而材料的性能還不令人滿意。
碳化硼抗彈陶瓷應用前景
目前，Al2O3基抗彈陶瓷已用于“502工程”及“212工程”，但在戰(zhàn)車車體側面等部位采用Al2O3基陶瓷復合裝甲時，其減重效果不明顯，而采用同等厚度的高性能碳化硼陶瓷復合裝甲則要比http://m.stanzs.com/news/55936554576799CD.htmlAl2O3基防彈陶瓷質量減輕15%～20%，同時防彈性能進一步提高。因此重點裝備工程陶瓷復合裝甲研制項目對高性能、低成本碳化硼防彈陶瓷提出了迫切需求。
因而，開展高性能、低成本碳化硼防彈陶瓷材料的研制與應用，可大大提高相關武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經濟效益。碳化硼防彈陶瓷材應用方向為重點裝備工程、未來主戰(zhàn)坦克、步兵戰(zhàn)車、空投空降車等輕型裝甲車輛以及武裝直升機腹板、船艇上層建筑的裝甲防護。
工業(yè)用碳化硼的強度和韌性比較低，這主要是由于組織粗大（250um）、缺陷多、致密度不高所致，通過提高燒結密度、細化晶粒等基本途徑可以明顯地改善強度，但斷裂韌性增加不大，這與單相材料本身的局限性有關。因此，要想減輕碳化硼的穿晶斷裂的傾向，增加斷裂韌性，走“復合”之路似乎是最后的選擇。大量研究表明，復合添加劑可極大地降低燒結溫度和壓力，在高溫高壓條件下，獲得高致密度的純碳化硼陶瓷，并有優(yōu)異的力學性能。復合材料的前景是十分誘人的，但問題是選擇什么樣的途徑來實現“復合”之目的，總之，碳化硼材料能否在工程下得到更廣泛的應用取決于3個基本問題的解決：
１）燒結溫度的降低；
２）強度和斷裂韌性的提高；
３）抗氧化行為的改善。
結構決定性能是自然界永恒的定律。對新型碳化硼材料體系，其性能取決于微觀組織結構，而微觀組織結構的形成與化學成分、繞結工藝和相反應過程密切相關。鑒于碳化硼陶瓷的特性和作為防彈裝甲陶瓷的重要意義，所以碳化硼特種陶瓷的研究工作，國家已經取得很大的成效，研究出新型的碳化硼基超硬防彈陶瓷材料，從原材料配方、燒結工藝到制成成品、性能檢測一系列工作中均取得了良好的結果。所研制的高性能B4C陶瓷達到了企業(yè)標準和美軍軍標，其技術水平國內首創(chuàng)，填補了國內空白，在國際上達先進水平，為我國提供了一種新型的輕質高性能防彈裝甲產品。
2結語
（1）碳化硼是一種重要的特種陶瓷，具有許多優(yōu)異的性能，獲得了廣泛的應用，國內外對其研究較多。碳化硼陶瓷的主要制備工藝是粉末制備、成型和燒結這一典型粉末冶金工藝。
（2）碳化硼粉末的工業(yè)制取方法主要有高溫自蔓延合成法（SHS）和碳管爐、電弧爐碳熱還原法，近年來還出現了激光化學氣相反應法、溶膠－凝膠碳熱還原法等。
（3）復合添加劑可極大地降低燒結溫度和壓力，在高溫、高壓條件下能獲得高致密度的純碳化硼陶瓷，并具有優(yōu)異的力學性能。
（5）開展高性能、低成本碳化硼防彈陶瓷材料的研制與應用，可大大提高相關武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經濟效益。
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