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原理、原料及設備的不同，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，近年來還出現(xiàn)了激光化學氣相反應法、溶膠－凝膠碳熱還原法等[8]。

　　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，早在化學計量的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備，例如碳管爐或電弧爐中，通以保護氣體或N2在一定溫度下合成碳化硼粉末，基本的化學方程式為：

　　2B2O3(4H3BO3)+7C=B4C+6CO2(g)+6H2O(g)

　　這種方法的優(yōu)點是：設備結構簡單、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、高溫下對爐體的損壞嚴重，尤其是合成的原始粉末平均粒徑大（20～40μｍ），作為燒結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的反應熱，使反應進行下去的一種工藝方法。由前蘇聯(lián)物理化學研究所的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，具有反應溫。度較低（1273～1473K）、節(jié)約能源、反應迅速及容易控制等優(yōu)點，所以合成的碳化硼粉的純度較高且原始粉末粒度較細（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，缺點是反應物中殘留的MgO必須通過附加的工藝洗去，且極難徹底除去。

　　1.1.3 激光誘導化學氣相沉積法

　　激光誘導化學氣相沉積法（LICVD）是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產(chǎn)生熱分解或化學反應，經(jīng)成核生長形成超細粉末。

　　1.1.4 溶膠－凝膠碳熱還原法

　　溶膠－凝膠法（sol-gel）是指無機物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、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機物或有機物形成凝膠，故用此法合成碳化硼粉的報道較少。

　　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。碳化硼的塑性很差，晶界移動阻力很大，固態(tài)時表面張力很小，這一切都是阻礙燒結的因素。無任何添加劑的常壓燒結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是不可能進行無添加劑常壓燒結的；燒結溫度高（2250～2280℃），接近碳化硼的熔點（2400℃）。所以，常壓燒結通常添加各種燒結助劑以促進燒結。添加物可以分為金屬和無機非金屬兩大類。燒結溫度小于1800℃和添加Gr、Co、Ni、Al、玻璃等常壓燒結時，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℃）燒結時有助于提高致密度。以少量碳為燒結添加劑的優(yōu)點是不引入除碳、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構和性質(zhì)沒有大的變化，故而受到特別的重視。加入的碳通常通過葡萄糖、酚醛樹脂等有機先驅物熱分解而來。熱致密化主要包括熱壓和熱等靜壓兩種方法。工業(yè)上制備形狀簡單的碳化硼制品主要靠熱壓。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、高強石墨模具、保溫保壓15～45min。制品的密度、孔隙度和微觀結構取決于具體的熱壓條件。熱等靜壓可進一步降低燒結溫度至小于1727℃而獲得致密產(chǎn)品。也有將微波燒結、反應燒結、爆炸成型等技術用于碳化硼燒結。

　　近10年來，關于碳化硼陶瓷的研究取得了可喜進展，但不同的研究者僅從致密化或韌化角度對材料進行改善，或僅采用一種或兩種方法對其進行致密化，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)車車體側面等部位采用Al2O3基陶瓷復合裝甲時，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合裝甲則要比Al2O3基防彈陶瓷質(zhì)量減輕15%～20%，同時防彈性能進一步提高。因此重點裝備工程陶瓷復合裝甲研制項目對高性能、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用，可大大提高相關武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟效益。碳化硼防彈陶瓷材應用方向為重點裝備工程、未來主戰(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腹板、船艇上層建筑的裝甲防護。

　　工業(yè)用碳化硼的強度和韌性比較低，這主要是由于組織粗大（250um）、缺陷多、致密度不高所致，通過提高燒結密度、細化晶粒等基本途徑可以明顯地改善強度，但斷裂韌性增加不大，這與單相材料本身的局限性有關。因此，要想減輕碳化硼的穿晶斷裂的傾向，增加斷裂韌性，走“復合”之路似乎是最后的選擇。大量研究表明，復合添加劑可極大地降低燒結溫度和壓力，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)異的力學性能。復合材料的前景是十分誘人的，但問題是選擇什么樣的途徑來實現(xiàn)“復合”之目的，總之，碳化硼材料能否在工程下得到更廣泛的應用取決于3個基本問題的解決：

　　１）燒結溫度的降低；

　　２）強度和斷裂韌性的提高；

　　３）抗氧化行為的改善。

　　結構決定性能是自然界永恒的定律。對新型碳化硼材料體系，其性能取決于微觀組織結構，而微觀組織結構的形成與化學成分、繞結工藝和相反應過程密切相關。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、燒結工藝到制成成品、性能檢測一系列工作中均取得了良好的結果。所研制的高性能B4C陶瓷達到了企業(yè)標準和美軍軍標，其技術水平國內(nèi)首創(chuàng)，填補了國內(nèi)空白，在國際上達先進水平，為我國提供了一種新型的輕質(zhì)高性能防彈裝甲產(chǎn)品。

　　2結語
　
　　（1）碳化硼是一種重要的特種陶瓷，具有許多優(yōu)異的性能，獲得了廣泛的應用，國內(nèi)外對其研究較多。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，近年來還出現(xiàn)了激光化學氣相反應法、溶膠－凝膠碳熱還原法等。

　　（3）復合添加劑可極大地降低燒結溫度和壓力，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用，可大大提高相關武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟效益。