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碳化硼抗弹陶瓷的制备方法及应用
2018月06月25日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:173
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碳化硼是一种有着许多优良性能的重要特种陶瓷。碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼,尤其是近于恒定的高温硬度是其他材料无可比拟的,故成为超硬材料家族中的重要成员。在碳化硼中,硼与碳主要以共价键相结合,具有高熔点、高硬度、高模量、密度小、耐磨性好、耐酸碱性强等特点,并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数、热电性能,故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。


目前,用于抗弹陶瓷的结构陶瓷主要有氧化铝、碳化硅和碳化硼。其中,碳化硼是抗弹性能最优的装甲材料,目前用作飞机装甲材料和特殊用途防护结构。 氧化铝虽然综合防护系数最低,但因其成本最低,所以在护身装甲和装甲车辆方面获得较多的应用。碳化硼抗弹陶瓷无论是防护系数,还是成本都介于二者之间。 因而,降低碳化硼抗弹陶瓷材料的成本研究具有很强必要性和广阔的应用前景。

图一 碳化硼抗弹陶瓷


一、碳化硼陶瓷的制备方法


1、碳化硼粉末的合成

根据合成碳化硼粉末所采用的反应原理、原料及设备的不同,碳化硼粉末的工业制取方法主要有高温自蔓延合成法和碳管炉、电弧炉碳热还原法,近年来还出现了激光化学气相反应法、溶胶- 凝胶碳热还原法等。

图二 碳化硼粉末


1.1碳管炉、电弧炉碳热还原法

这是合成碳化硼粉末最常用的方法,早在化学计量的B4C被确定(1934)后不久,电炉生产工业碳化硼的研究即取得成功,碳化硼作为磨料开始在工业上得到应用。将硼单质或含硼的化合物与碳粉或含碳的化合物均匀混合后放入高温设备,例如碳管炉或电弧炉中,通以保护气体或N2在一定温度下合成碳化硼粉末。


1.2 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法是利用化合物合成时的反应热,使反应进行下去的一种工艺方法。由于此法制备碳化硼时多以镁作为助熔剂,故又称镁热法。与其他方法相比,具有反应温度较低、节约能源、反应迅速及容易控制等优点,所以合成的碳化硼粉的纯度较高且原始粉末粒度较细,一般不需要破碎处理,是目前合成碳化硼粉的较佳方法,缺点是反应物中残留的MgO必须通过附加的工艺洗去,且极难彻底除去。


1.3 激光诱导化学气相沉积法

激光诱导化学气相沉积法是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收而产生热分解或化学反应,经成核生长形成超细粉末。


1.4 溶胶- 凝胶碳热还原法

溶胶-凝胶法是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理合成化合物的方法。由于提供硼源的硼化物很难与其他无机物或有机物形成凝胶,故用此法合成碳化硼粉的报道较少。


2、碳化硼陶瓷材料制备的一般方法

特种陶瓷的主要制备工艺是粉末制备、成型和烧结。碳化硼的塑性很差,晶界移动阻力很大,固态时表面张力很小,这一切都是阻碍烧结的因素。无任何添加剂的常压烧结要想得到较高致密度的产品,要求的条件很苛刻,例如粉末粒度要尽可能小,烧结温度高,接近碳化硼的熔点。所以,常压烧结通常添加各种烧结助剂以促进烧结。添加物可以分为金属和无机非金属两大类。


二、碳化硼抗弹陶瓷应用前景


目前,氧化铝基抗弹陶瓷已用于“502工程”及“212工程”,但在战车车体侧面等部位采用氧化铝基陶瓷复合装甲时,其减重效果不明显,而采用同等厚度的高性能碳化硼陶瓷复合装甲则要比氧化铝基抗弹陶瓷质量减轻15%20%,同时抗弹性能进一步提高。因此重点装备工程陶瓷复合装甲研制项目对高性能、低成本碳化硼抗弹陶瓷提出了迫切需求。


因而,开展高性能、低成本碳化硼抗弹陶瓷材料的研制与应用,可大大提高相关武器装备的使用性能,具有显著的军事效益和经济效益。碳化硼抗弹陶瓷材应用方向为重点装备工程、未来主战坦克、步兵战车、空投空降车等轻型装甲车辆以及武装直升机腹板、船艇上层建筑的装甲防护。


工业用碳化硼的强度和韧性比较低,这主要是由于组织粗大、缺陷多、致密度不高所致,通过提高烧结密度、细化晶粒等基本途径可以明显地改善强度,但断裂韧性增加不大,这与单相材料本身的局限性有关。因此,要想减轻碳化硼的穿晶断裂的倾向,增加断裂韧性,走“复合”之路似乎是最后的选择。大量研究表明,复合添加剂可极大地降低烧结温度和压力,在高温高压条件下,获得高致密度的纯碳化硼陶瓷,并有优异的力学性能。

 

                                                   作者:谷雨


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