熱壓碳化硼防彈陶瓷制備工藝及解決方案

    碳化硼是一種新型非氧化陶瓷材料，因其具有熔點高、硬度高、密度低、熱穩定性好，抗化學侵蝕能力強和中子吸收能力強等特點而被廣泛應用于能源、軍事、核能以及防彈領域。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法制備，不過碳化硼是共價鍵很強的陶瓷材料，共價鍵占90%以上，而且碳化硼的塑性差，品界移動阻力很大，固態時表面張力很小，從而決定了碳化硼是一種極難燒結的陶瓷材料。純碳化硼在燒結過程中通常存在燒結溫度高、燒結后所得陶瓷致密度低，斷裂韌性較差等問題。工業上一般采用無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結等技術，通過改進燒結工藝、添加燒結助劑提高碳化硼的力學性能，為進一步研究碳化硼的燒結工藝奠定基礎。

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

    無壓燒結碳化硼制品工藝簡單、加工成本低，對燒結條件沒有太多要求，可適用于生產形狀復雜的產品，適合大批量工業化生產，是制備陶瓷常用的燒結技術。但由于燒結溫度高，晶粒容易異常生長，使燒結過程難以控制，產品性能不穩定。

    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，產品密度高，顯微組織優良等優點，因而，降低碳化硼的燒結溫度可以采用熱壓燒結工藝。

    與單純熱壓相比，將液相燒結和熱壓燒結相結合，燒結溫度大大降低，致密度相對提高。

    通常熱壓燒結條件為：真空或惰性氣氛，壓力20~40MPa，溫度2200~2300℃，保溫時間0.5~2h。碳化硼是共價鍵很強的化合物，在高溫下燒結擴散速率慢，物質流動發生較少，使其致密化過程非常困難。

    為了降低燒結溫度和表面能，提高碳化硼陶瓷的綜合性能，必須加入添加劑來促進碳化硼的熱壓燒結。添加劑包括燒結助劑或第二相反應燒結，在高溫高壓條件下，可以促進燒結，控制晶粒長大，提高力學性能，獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產品。目前加入的添加劑主要包括金屬單質（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）。

    熱壓燒結的特點是工藝較復雜，對設備要求高，加工成本高且生產效率低，而且只能制備形狀較為簡單的產品。

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

    熱等靜壓燒結的特點是陶瓷材料的顯微結構均勻，綜合性能好，設備費用較高，只能加工形狀簡單的零件。

    放電等離子燒結（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、燒結時間短、晶粒均勻、冷卻迅速、外加壓力、材料致密度高和燒結氣氛可控等特點的一種新型快速燒結技術。可以有效利用粉末內部的自身發熱，放電點的彌散分布實現均勻加熱。

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