碳化硼是一種新型非氧化陶瓷材料，因其具有熔點(diǎn)高、硬度高、密度低、熱穩(wěn)定性好，抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)和中子吸收能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于能源、軍事、核能以及防彈領(lǐng)域。碳化硼又稱黑鉆石，是僅次于金剛石和立方氮化硼的第三硬材料，故成為超硬材料家族中的重要成員。

 

 

    目前碳化硼防彈材料主要通過燒結(jié)法制備，不過碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的陶瓷材料，共價(jià)鍵占90%以上，而且碳化硼的塑性差，品界移動(dòng)阻力很大，固態(tài)時(shí)表面張力很小，從而決定了碳化硼是一種極難燒結(jié)的陶瓷材料。純碳化硼在燒結(jié)過程中通常存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)后所得陶瓷致密度低，斷裂韌性較差等問題。工業(yè)上一般采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等技術(shù)，通過改進(jìn)燒結(jié)工藝、添加燒結(jié)助劑提高碳化硼的力學(xué)性能，為進(jìn)一步研究碳化硼的燒結(jié)工藝奠定基礎(chǔ)。

 

 

 

    純B4C的無壓燒結(jié)致密化非常困難，氣孔缺陷和致密度是影響碳化硼陶瓷性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。而燒結(jié)溫度和粉末粒度是影響碳化硼陶瓷致密度的重要指標(biāo)。研究表明，純碳化硼無壓燒結(jié)致密化最主要的條件是采用低氧含量的粒度≤3μm的超細(xì)粉末且溫度范圍在2250~2350℃。

 

    無壓燒結(jié)碳化硼制品工藝簡(jiǎn)單、加工成本低，對(duì)燒結(jié)條件沒有太多要求，可適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)，是制備陶瓷常用的燒結(jié)技術(shù)。但由于燒結(jié)溫度高，晶粒容易異常生長(zhǎng)，使燒結(jié)過程難以控制，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。

 

 

 

    熱壓是在高溫條件下改善粉末塑性，具有成型壓力低，變形阻力小，產(chǎn)品密度高，顯微組織優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因而，降低碳化硼的燒結(jié)溫度可以采用熱壓燒結(jié)工藝。

 

    與單純熱壓相比，將液相燒結(jié)和熱壓燒結(jié)相結(jié)合，燒結(jié)溫度大大降低，致密度相對(duì)提高。

 

    通常熱壓燒結(jié)條件為：真空或惰性氣氛，壓力20~40MPa，溫度2200~2300℃，保溫時(shí)間0.5~2h。碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，在高溫下燒結(jié)擴(kuò)散速率慢，物質(zhì)流動(dòng)發(fā)生較少，使其致密化過程非常困難。

 

    為了降低燒結(jié)溫度和表面能，提高碳化硼陶瓷的綜合性能，必須加入添加劑來促進(jìn)碳化硼的熱壓燒結(jié)。添加劑包括燒結(jié)助劑或第二相反應(yīng)燒結(jié)，在高溫高壓條件下，可以促進(jìn)燒結(jié)，控制晶粒長(zhǎng)大，提高力學(xué)性能，獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產(chǎn)品。目前加入的添加劑主要包括金屬單質(zhì)（Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr等）、金屬氧化物（Al2O3、TiO2等）、過渡金屬碳化物（CrC、VC、WC、TiC等）及其他添加劑（AlF3、MgF2、Be2C、Si等）。

 

    熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)是工藝較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高，加工成本高且生產(chǎn)效率低，而且只能制備形狀較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。

 

 

 

    熱等靜壓燒結(jié)碳化硼，將粉末壓坯成型或裝入包套的粉料放入高壓容器中，無需燒結(jié)助劑，把惰性氣體作為傳遞壓力的介質(zhì)（如N2、Ar），使粉料受到各向同性的壓力，降低燒結(jié)溫度，可獲得細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)、高彎曲強(qiáng)度和致密度的碳化硼陶瓷材料。

 

    熱等靜壓燒結(jié)的特點(diǎn)是陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)均勻，綜合性能好，設(shè)備費(fèi)用較高，只能加工形狀簡(jiǎn)單的零件。

 

 

 

    放電等離子燒結(jié)（SPS）是集等離子活化、電阻加熱和熱壓為一體，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、晶粒均勻、冷卻迅速、外加壓力、材料致密度高和燒結(jié)氣氛可控等特點(diǎn)的一種新型快速燒結(jié)技術(shù)。可以有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱，放電點(diǎn)的彌散分布實(shí)現(xiàn)均勻加熱。

 

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