碳化硼陶瓷的燒結(jié)方法及應(yīng)用

碳化硼陶瓷是一種硬度超過莫氏9.0的特種陶瓷材料，它不但擁有超高的硬度，還具有低密度、耐高溫、抗腐蝕等特點，此外它還有一個非常特殊的特性，那就是對中子具有良好的吸收能力，因此其在核工業(yè)領(lǐng)域也擁有較廣的應(yīng)用。碳化硼陶瓷由于它的硬度過高，因此加工難度也非常大。“鑫騰輝數(shù)控”針對這種材料開發(fā)了專用的碳化硼陶瓷加工中心，專門針對此類材料的精密加工。目前碳化硼陶瓷加工企業(yè)“鈞杰陶瓷”就是采用的該款機型。

鑫騰輝陶瓷加工中心

說了這么多我們來看看碳化硼陶瓷的幾種主要制備工藝吧。目前碳化硼陶瓷主要有：熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等幾種方式，其中無壓燒結(jié)比較常見，這種燒結(jié)方式的材料也比較好買。不同的燒結(jié)方式，碳化硼陶瓷的特性也會有所不同，例如用于中子吸收時就要采用熱壓燒結(jié)的碳化硼陶瓷才合適。

碳化硼陶瓷的制備

熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)由于高溫下的壓力作用，使得顆粒發(fā)生重排和產(chǎn)生塑性流動，導(dǎo)致晶界滑移和應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶、蠕變及體積擴散。這些機制的共同作用可獲得高致密度高強度的碳化硼陶瓷。熱壓燒結(jié)在惰性氣氛或真空中進行，一般熱壓溫度2200℃~2300℃，壓力20MPa~40MPa，保溫時間0.5h~2h，但碳化硼是共價鍵很強的化合物，無添加的燒結(jié)很難得到高致密度、高性能的產(chǎn)品，為了降低碳化硼的燒結(jié)溫度及改善碳化硼的性能，必須加入燒結(jié)助劑來促進燒結(jié)。由于碳化硼抗熱震性較差，因此要緩慢降溫，熱壓燒結(jié)只能制備形狀較簡單的制品。

熱等靜壓燒結(jié)

      采用熱等靜壓燒結(jié)碳化硼，可無需添加劑而達到致密化，并且獲得細晶顯微結(jié)構(gòu)和高的彎曲強度。熱等靜壓是將惰性氣體如N2、Ar等作為傳遞壓力的介質(zhì)，將碳化硼粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中，使粉料經(jīng)受高溫和均衡壓力，降低燒結(jié)溫度，避免晶粒長大，可獲得高致密度的碳化硼陶瓷材料。與一般熱壓法相比，它可以使物料收到各同向性的壓力，因而陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)均勻，缺點是設(shè)備費用較高和待加工工件尺寸受到限制。

無壓燒結(jié)

純碳化硼無壓燒結(jié)致密化困難，影響碳化硼陶瓷致密度的主要因素為燒結(jié)溫度與粉末粒度。在常壓下2300℃燒結(jié)，其制品的相對密度一般低于80%，且容易出現(xiàn)異常晶粒長大和表面熔化現(xiàn)象。增大碳化硼粉末的比表面積并減小其平均粒度，可在一定程度上提高燒結(jié)密度。因此，為了降低燒結(jié)溫度、提高碳化硼制品的綜合性能，一般需加入燒結(jié)助劑，如單質(zhì)硼、碳、鋁等來促進碳化硼的燒結(jié)。

放電等離子燒結(jié)(SPS)

      近年發(fā)展起來的放電等離子燒結(jié)(SPS)是一種快速燒結(jié)的新工藝，可以實現(xiàn)材料的低溫快速高效燒結(jié)。SPS燒結(jié)過程中，電極通入脈沖直流大電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體系內(nèi)各個顆粒自身均勻地產(chǎn)生焦耳熱使顆粒表面活化。SPS可以有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱，放電點的彌散分布實現(xiàn)均勻加熱。另外，SPS可以實現(xiàn)顆粒間的有效放電使其產(chǎn)生局部高溫，顆粒表面局部熔化、表面氧化膜剝落。采用這種新的燒結(jié)技術(shù)可以在無燒結(jié)助劑的情況下，實現(xiàn)碳化硼陶瓷高致密化燒結(jié)，而且制品結(jié)構(gòu)均勻、化學(xué)成分可控。

碳化硼陶瓷應(yīng)用于防彈領(lǐng)域

碳化硼陶瓷的高熔點、高硬度和低密度使其成為防彈材料應(yīng)用領(lǐng)域的理想替代品。目前，碳化硼防彈材料已廣泛應(yīng)用在防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機等防護領(lǐng)域。

防彈衣

目前各國防彈衣根據(jù)防彈材料來分，可分為硬質(zhì)、軟質(zhì)、軟硬結(jié)合式三種形式，其中，硬質(zhì)防彈衣主要由金屬、陶瓷及其他復(fù)合材料構(gòu)成，因其自身的硬度很高，子彈難以穿透，從而達到防彈的目的。防彈衣被視為人體防護的重要裝備，美國海軍陸戰(zhàn)隊和陸軍第一件用于個人防護的碳化硼防彈衣“攔截者”于20世紀60年代初期研制成功。到2012年，共有6.8萬套“攔截者”防彈衣投入戰(zhàn)場。美國和以色列還生產(chǎn)出了在Kevlar織物中嵌入碳化硼陶瓷芯片的防彈衣。

防彈裝甲

德國的豹式坦克

裝甲陶瓷材料主要應(yīng)用于防彈裝甲車輛，用于裝甲防護的單相陶瓷主要有氧化鋁、碳化硼和碳化硅三種，但在實際應(yīng)用中，通常以復(fù)合裝甲的形式出現(xiàn)。裝甲陶瓷材料普遍應(yīng)用在附加頂、艙蓋、排氣板、炮塔座圈、防彈玻璃、樞軸架等裝甲構(gòu)件中以及坦克車輛的下車體；還用于制造軀干板、側(cè)板、車輛門和駕駛員座椅。在主坦克中，目前德國的豹-Ⅱ，英國的挑戰(zhàn)者系列，以色列的梅卡瓦，美國的艾布拉姆斯，EE-T1奧索里約，前蘇聯(lián)的T-72等主戰(zhàn)坦克在其頂部、底部和四周都裝有碳化物陶瓷復(fù)合裝甲。

武裝直升機

碳化硼陶瓷的特性特別適宜用于武裝直升飛機和其他航空器，改進了傳統(tǒng)的設(shè)計，可以起到抵擋來自地面的炮彈襲擊作用。如碳化硼和Kevlar復(fù)合裝甲已被廣泛應(yīng)用在美國黑鷹式直升機乘員座椅；在20世紀60年代，碳化硼陶瓷被裝配到武裝直升機駕駛艙地板，側(cè)墻防彈板和飛行員座椅處。

碳化硼陶瓷應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域

中子吸收材料

碳化硼中子吸收體

中子吸收材料

在反應(yīng)堆堆芯組件中，中子吸收材料（控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒）是僅次于燃料元件的重要功能元件，由于碳化硼的中子吸收截面高，吸收能譜寬，價格低，原料來源豐富，從而易于廢料處理。因此碳化硼是一種重要的中子吸收材料。

屏蔽材料

隨著各種核反應(yīng)堆的發(fā)展，堆屏蔽材料及其他屏蔽系統(tǒng)的要求越來越高，現(xiàn)在的許多屏蔽材料已難以滿足其使用要求，主要表現(xiàn)在屏蔽材料的屏蔽效果與其他性能如力學(xué)性能、耐熱性、抗輻照性等難以兼顧。碳化硼材料可以作為核反應(yīng)的屏蔽材料。相對于純元素B和Cd而言，碳化硼造價低，不產(chǎn)生放射性同位素，二次射線能量低，而且耐腐蝕，熱穩(wěn)定性好，因而被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)。