碳化硼陶瓷的烧结方法及应用

碳化硼陶瓷是一种硬度超过莫氏9.0的特种陶瓷材料，它不但拥有超高的硬度，还具有低密度、耐高温、抗腐蚀等特点，此外它还有一个非常特殊的特性，那就是对中子具有良好的吸收能力，因此其在核工业领域也拥有较广的应用。碳化硼陶瓷由于它的硬度过高，因此加工难度也非常大。“鑫腾辉数控”针对这种材料开发了专用的碳化硼陶瓷加工中心，专门针对此类材料的精密加工。目前碳化硼陶瓷加工企业“钧杰陶瓷”就是采用的该款机型。

鑫腾辉陶瓷加工中心

说了这么多我们来看看碳化硼陶瓷的几种主要制备工艺吧。目前碳化硼陶瓷主要有：热压烧结、无压烧结、热等静压烧结等几种方式，其中无压烧结比较常见，这种烧结方式的材料也比较好买。不同的烧结方式，碳化硼陶瓷的特性也会有所不同，例如用于中子吸收时就要采用热压烧结的碳化硼陶瓷才合适。

碳化硼陶瓷的制备

热压烧结

热压烧结由于高温下的压力作用，使得颗粒发生重排和产生塑性流动，导致晶界滑移和应变诱导孪晶、蠕变及体积扩散。这些机制的共同作用可获得高致密度高强度的碳化硼陶瓷。热压烧结在惰性气氛或真空中进行，一般热压温度2200℃~2300℃，压力20MPa~40MPa，保温时间0.5h~2h，但碳化硼是共价键很强的化合物，无添加的烧结很难得到高致密度、高性能的产品，为了降低碳化硼的烧结温度及改善碳化硼的性能，必须加入烧结助剂来促进烧结。由于碳化硼抗热震性较差，因此要缓慢降温，热压烧结只能制备形状较简单的制品。

热等静压烧结

      采用热等静压烧结碳化硼，可无需添加剂而达到致密化，并且获得细晶显微结构和高的弯曲强度。热等静压是将惰性气体如N2、Ar等作为传递压力的介质，将碳化硼粉末压坯或装入包套的粉料放入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力，降低烧结温度，避免晶粒长大，可获得高致密度的碳化硼陶瓷材料。与一般热压法相比，它可以使物料收到各同向性的压力，因而陶瓷的显微结构均匀，缺点是设备费用较高和待加工工件尺寸受到限制。

无压烧结

纯碳化硼无压烧结致密化困难，影响碳化硼陶瓷致密度的主要因素为烧结温度与粉末粒度。在常压下2300℃烧结，其制品的相对密度一般低于80%，且容易出现异常晶粒长大和表面熔化现象。增大碳化硼粉末的比表面积并减小其平均粒度，可在一定程度上提高烧结密度。因此，为了降低烧结温度、提高碳化硼制品的综合性能，一般需加入烧结助剂，如单质硼、碳、铝等来促进碳化硼的烧结。

放电等离子烧结(SPS)

      近年发展起来的放电等离子烧结(SPS)是一种快速烧结的新工艺，可以实现材料的低温快速高效烧结。SPS烧结过程中，电极通入脉冲直流大电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体系内各个颗粒自身均匀地产生焦耳热使颗粒表面活化。SPS可以有效利用粉末内部的自身发热，放电点的弥散分布实现均匀加热。另外，SPS可以实现颗粒间的有效放电使其产生局部高温，颗粒表面局部熔化、表面氧化膜剥落。采用这种新的烧结技术可以在无烧结助剂的情况下，实现碳化硼陶瓷高致密化烧结，而且制品结构均匀、化学成分可控。

碳化硼陶瓷应用于防弹领域

碳化硼陶瓷的高熔点、高硬度和低密度使其成为防弹材料应用领域的理想替代品。目前，碳化硼防弹材料已广泛应用在防弹衣、防弹装甲、武装直升机等防护领域。

防弹衣

目前各国防弹衣根据防弹材料来分，可分为硬质、软质、软硬结合式三种形式，其中，硬质防弹衣主要由金属、陶瓷及其他复合材料构成，因其自身的硬度很高，子弹难以穿透，从而达到防弹的目的。防弹衣被视为人体防护的重要装备，美国海军陆战队和陆军第一件用于个人防护的碳化硼防弹衣“拦截者”于20世纪60年代初期研制成功。到2012年，共有6.8万套“拦截者”防弹衣投入战场。美国和以色列还生产出了在Kevlar织物中嵌入碳化硼陶瓷芯片的防弹衣。

防弹装甲

德国的豹式坦克

装甲陶瓷材料主要应用于防弹装甲车辆，用于装甲防护的单相陶瓷主要有氧化铝、碳化硼和碳化硅三种，但在实际应用中，通常以复合装甲的形式出现。装甲陶瓷材料普遍应用在附加顶、舱盖、排气板、炮塔座圈、防弹玻璃、枢轴架等装甲构件中以及坦克车辆的下车体；还用于制造躯干板、侧板、车辆门和驾驶员座椅。在主坦克中，目前德国的豹-Ⅱ，英国的挑战者系列，以色列的梅卡瓦，美国的艾布拉姆斯，EE-T1奥索里约，前苏联的T-72等主战坦克在其顶部、底部和四周都装有碳化物陶瓷复合装甲。

武装直升机

碳化硼陶瓷的特性特别适宜用于武装直升飞机和其他航空器，改进了传统的设计，可以起到抵挡来自地面的炮弹袭击作用。如碳化硼和Kevlar复合装甲已被广泛应用在美国黑鹰式直升机乘员座椅；在20世纪60年代，碳化硼陶瓷被装配到武装直升机驾驶舱地板，侧墙防弹板和飞行员座椅处。

碳化硼陶瓷应用于核工业领域

中子吸收材料

碳化硼中子吸收体

中子吸收材料

在反应堆堆芯组件中，中子吸收材料（控制棒、调节棒、事故棒、安全棒）是仅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，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，从而易于废料处理。因此碳化硼是一种重要的中子吸收材料。

屏蔽材料

随着各种核反应堆的发展，堆屏蔽材料及其他屏蔽系统的要求越来越高，现在的许多屏蔽材料已难以满足其使用要求，主要表现在屏蔽材料的屏蔽效果与其他性能如力学性能、耐热性、抗辐照性等难以兼顾。碳化硼材料可以作为核反应的屏蔽材料。相对于纯元素B和Cd而言，碳化硼造价低，不产生放射性同位素，二次射线能量低，而且耐腐蚀，热稳定性好，因而被广泛应用于核工业。