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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(jù)合成碳化硼粉末所采用的反應(yīng)原理、原料及設(shè)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(lái)還出現(xiàn)了激光化學(xué)氣相反應(yīng)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(xué)計(jì)量的B4C被確定（1934年）后不久，電爐生產(chǎn)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(yīng)用。將硼單質(zhì)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(shè)備，例如碳管爐或電弧爐中，通以保護(hù)氣體或N2在一定溫度下合成碳化硼粉末，基本的化學(xué)方程式為：
2B2O3(4H3BO3)+7C=B4C+6CO2(g)+6H2O(g)
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎn)能力較低、高溫下對(duì)爐體的損壞嚴(yán)重，尤其是合成的原始粉末平均粒徑大（20～40μｍ），作為燒結(jié)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(chǎn)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(shí)的反應(yīng)熱，使反應(yīng)進(jìn)行下去的一種工藝方法。由前蘇聯(lián)物理化學(xué)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(shí)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(yīng)溫。度較低（1273～1473K）、節(jié)約能源、反應(yīng)迅速及容易控制等優(yōu)點(diǎn)，所以合成的碳化硼粉的純度較高且原始粉末粒度較細(xì)（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(diǎn)是反應(yīng)物中殘留的MgO必須通過(guò)附加的工藝洗去，且極難徹底除去。
1.1.3 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法
激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法（LICVD）是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收而產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)成核生長(zhǎng)形成超細(xì)粉末。
1.1.4 溶膠－凝膠碳熱還原法
溶膠－凝膠法（sol-gel）是指無(wú)機(jī)物或金屬醇鹽經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)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(wú)機(jī)物或有機(jī)物形成凝膠，故用此法合成碳化的報(bào)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(jié)。的塑性很差，晶界移動(dòng)阻力很大，固態(tài)時(shí)表面張力很小，這一切都是阻礙燒結(jié)的因素。無(wú)任何添加劑的常壓燒結(jié)要想得到較高致密度的產(chǎn)品，要求的條件很苛刻，例如粉末粒度要盡可能小（小于3μｍ），粉末粒度大于8μｍ是不可能進(jìn)行無(wú)添加劑常壓燒結(jié)的；燒結(jié)溫度高（2250～2280℃），接近碳化硼的熔點(diǎn)（2400℃）。所以，常壓燒結(jié)通常添加各種燒結(jié)助劑以促進(jìn)燒結(jié)。添加物可以分為金屬和無(wú)機(jī)非金屬兩大類。燒結(jié)溫度小于1800℃和添加Gr、Co、Ni、Al、玻璃等常壓燒結(jié)時(shí)，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(jié)時(shí)有助于提高致密度。以少量碳為燒結(jié)添加劑的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒(méi)有大的變化，故而受到特別的重視。加入的碳通常通過(guò)葡萄糖、酚醛樹脂等有機(jī)先驅(qū)物熱分解而來(lái)。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(jiǎn)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(qiáng)石墨模具、保溫保壓15～45min。制品的密度、孔隙度和微觀結(jié)構(gòu)取決于具體的熱壓條件。熱等靜壓可進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度至小于1727℃而獲得致密產(chǎn)品。也有將微波燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、爆炸成型等技術(shù)用于碳化硼燒結(jié)。
近10年來(lái)，關(guān)于碳化硼陶瓷的研究取得了可喜進(jìn)展，但不同的研究者僅從致密化或韌化角度對(duì)材料進(jìn)行改善，或僅采用一種或兩種方法對(duì)其進(jìn)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(yīng)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(cè)面等部位采用Al2O3基陶瓷復(fù)合裝甲時(shí)，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(fù)合裝甲則要比http://m.oriental01.com/news/55936554576799CD.htmlAl2O3基防彈陶瓷質(zhì)量減輕15%～20%，同時(shí)防彈性能進(jìn)一步提高。因此重點(diǎn)裝備工程陶瓷復(fù)合裝甲研制項(xiàng)目對(duì)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(yīng)用，可大大提高相關(guān)武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。碳化硼防彈陶瓷材應(yīng)用方向?yàn)橹攸c(diǎn)裝備工程、未來(lái)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(jī)腹板、船艇上層建筑的裝甲防護(hù)。
工業(yè)用碳化硼的強(qiáng)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(guò)提高燒結(jié)密度、細(xì)化晶粒等基本途徑可以明顯地改善強(qiáng)度，但斷裂韌性增加不大，這與單相材料本身的局限性有關(guān)。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(fù)合”之路似乎是最后的選擇。大量研究表明，復(fù)合添加劑可極大地降低燒結(jié)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(xué)性能。復(fù)合材料的前景是十分誘人的，但問(wèn)題是選擇什么樣的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)“復(fù)合”之目的，總之，碳化硼材料能否在工程下得到更廣泛的應(yīng)用取決于3個(gè)基本問(wèn)題的解決：
１）燒結(jié)溫度的降低；
２）強(qiáng)度和斷裂韌性的提高；
３）抗氧化行為的改善。
結(jié)構(gòu)決定性能是自然界永恒的定律。對(duì)新型碳化硼材料體系，其性能取決于微觀組織結(jié)構(gòu)，而微觀組織結(jié)構(gòu)的形成與化學(xué)成分、繞結(jié)工藝和相反應(yīng)過(guò)程密切相關(guān)。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(guó)家已經(jīng)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(jié)工藝到制成成品、性能檢測(cè)一系列工作中均取得了良好的結(jié)果。所研制的高性能B4C陶瓷達(dá)到了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美軍軍標(biāo)，其技術(shù)水平國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在國(guó)際上達(dá)先進(jìn)水平，為我國(guó)提供了一種新型的輕質(zhì)高性能防彈裝甲產(chǎn)品。
2結(jié)語(yǔ)
（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(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jié)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(lái)還出現(xiàn)了激光化學(xué)氣相反應(yīng)法、溶膠－凝膠碳熱還原法等。
（3）復(fù)合添加劑可極大地降低燒結(jié)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(xué)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(yīng)用，可大大提高相關(guān)武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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