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防弹陶瓷用碳化硼，无压烧结PK热压烧结？

信息来源：本站 | 发布日期： 2022-04-22 08:24:49 | 浏览量：1008662

摘要：

近年来，先进陶瓷在军事舞台可谓是大放光彩。凭借着高比刚度、高比强度以及在许多环境下呈化学惰性，先进陶瓷制成的防护装甲具有抗侵入能力强，轻便性和舒适度高等特点，因此成为装甲系统中必不可少的一部分。目前，防弹陶瓷材料主要有碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)和氧化铝(…

近年来，先进陶瓷在军事舞台可谓是大放光彩。凭借着高比刚度、高比强度以及在许多环境下呈化学惰性，先进陶瓷制成的防护装甲具有抗侵入能力强，轻便性和舒适度高等特点，因此成为装甲系统中必不可少的一部分。

目前，防弹陶瓷材料主要有碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)和氧化铝(Al2O3)三种，其中碳化硼是自然界中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔点、高模量、比重小、自润滑性好、耐磨、耐酸碱腐蚀、耐辐射、吸收中子等特点，是一种综合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端防弹装甲材料、高端液气密封材料、航天航空发动机喷头、高端陶瓷轴承、研磨介质、硬质材料的抛光和精研磨料等方面具有重要应用。另外，碳化硼陶瓷在核电反应堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，是一种重要的国家战略物资。

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由于重量最轻，比模量高，弹道性能好，碳化硼被认为是综合性能最好的防弹陶瓷材料。但它的制备并不容易，因为碳化硼结构是一种极难烧结陶瓷材料，其共价键达到93.94％，远高于诸如碳化硅（88%）和氮化硅（70%）等，从而使得碳化硼内气孔的消除、晶界和体积扩散需要在2200℃以上充分发生。

一般情况下，普通碳化硼粉末在2250-2300℃无压烧结，只能达到80%-87%的相对密度。因为在如此高温的条件下烧结，晶粒会快速粗化、长大，不利于气孔的排除，并将产生大量的残余气孔使材料的致密性受到影响。目前为了提高碳化硼陶瓷的烧结致密度和性能，更多会采用热压烧结法，但这种工艺成本和价格都十分昂贵，导致热压碳化硼的应用相当有限，多集中在高端防护市场，如直升机、潜艇、冲锋舟和歼击机等装备的防护系统中。

虽然看上去无压烧结法好像不太适用于防弹用碳化硼，但要拓宽碳化硼应用范围，只靠成本高昂的热压烧结法也不现实。因此行业内近年来一直在对无压烧结法进行改良，接下来我们就来一起看看它发展到了哪一步，以及两者更具体的区别在哪。

小知识：致密度与防弹陶瓷性能的关系

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防弹插板发挥作用的关键在于阻止弹体透过插板。一般而言有两个途径：一是要将弹体粉碎，使其无法再贯穿插板；二是将弹体偏转，使其前进方向改变。先进陶瓷防弹就是第一种情况。

为了硬扛弹体，防弹陶瓷自身也要硬，但理论硬度高不代表烧结后的陶瓷也能这么硬。据研究，陶瓷的硬度与两个指标有关，陶瓷烧结的致密度和晶粒尺寸。陶瓷致密度越高，陶瓷晶粒越细，陶瓷整体的硬度就越高。因此，保证陶瓷97%以上的高致密度是其作为防弹材料的第一要务。

一、热压烧结法

热压烧结法是指以几乎纯的碳化硼为原料，在高温烧结过程中加载几十兆帕的高压，促进碳化硼烧结致密化的方法。它之所以成为现在碳化硼陶瓷制备的主流方式，是因为在高温的压力作用下，它能将压力的作用和表面能一起作为烧结的驱动力，促使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，因此可以降低烧结温度、提高致密度。

通过热压烧结法制备的碳化硼陶瓷能够在不添加烧结助剂或成型助剂的条件下，就能具有晶粒小、力学和电学性质好、烧结致密度高等特点，总之机械性能优势突出。实验表明，在2150℃下热压烧结10min，碳化硼陶瓷的相对密度达到91.6%，室温杨氏模量292.5GPa，室温泊松比0.16，在0~1000℃内，温度与线膨胀系数成正比，而导热系数降低。

目前热压烧结法已用于生产高精尖的碳化硼陶瓷制品，如喷嘴、防弹陶瓷、密封材料、核辐射防护用具等。但热压烧结同时也存在许多缺陷，如过程十分复杂，故控制过程的难度也很大；自动化程度低，烧成温度高，产品结构简单，单炉产能低，难以规模化生产，是综合成本最高的一种烧结方式。而且所制产品的所有表面都固结一层石墨纸，需要较大余量的磨加工，尤其对于一些小尺寸、多面体、曲面等形状的产品，磨加工成本极高，这些都会限制碳化硼材料的应用范围。

目前，国内外对改善碳化硼材料的烧结性能，通过采用直接加入TiB2、SiC、C、Al2O3以及金属Al等的方法，提高材料的致密度及性能，使烧结温度降低至1700-1800℃，但这样材料的硬度会降到30Gpa以下，断裂韧性仅为2.5-3.2MPam1/2，且工艺复杂，成本高。

另外，原料粉末也是影响烧结过程的重要因素之一，因此也有学者就粉末粒径对碳化硼陶瓷热压烧结影响进行了研究，结果如下：

杜贤武等采用三种不同粒径的碳化硼粉体热压烧结制备碳化硼陶瓷，发现减小碳化硼粉体的粒径能显著改善热压烧结致密化过程：随着粉体的平均粒径减小，粉体重排时的粘度、烧结初期活化能、致密化的初始温度也都随之降低，而致密化速率和致密度却增大，致密化所需时间也减短。以及减小碳化硼粉体的平均粒径也能显著改善碳化硼陶瓷的显微结构及性能：粉体的平均粒径越小，碳化硼陶瓷的气孔孔径越小、气孔数量越低，显微结构分布也更为均匀，烧结体的性能也越好。

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二、无压烧结法

由于烧结过程简单，易于控制，且生产成本低，无压烧结（又称常压烧结）在碳化硼材料生产中也占有重要的一席之地，能在实际生产中对产品进行量产。但无压烧结的缺陷前面也提过，纯碳化硼粉体很难实现致密化。研究证明，要提高致密度就需要含氧量足够低的超细碳化硼粉体（≤3μm）和大于2350℃的温度。

丁硕等通过一系列的实验，得出了部分无压烧结碳化硼烧结温度及其致密度的对应关系，使用普通粒度的碳化硼粉末，烧成范围控制在2250~2300℃内，制品的致密化程度在80%~87%；烧结温度控制在2450℃，制品的烧结致密度可以达到90%；使用超细粉末，温度控制在2300℃，制品致密度可以达到99.5%。但采用超细粉末、超高温度无压烧结的碳化硼制品生产成本也相对较高，对烧结设备要求也较高，因此也会制约了碳化硼材料的应用与发展。

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工艺改进

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为了降低无压烧结碳化硼的成本及拓宽其应用范围，随着对碳化硼烧结助剂深入研究，业界发现可通过添加一种或几种烧结助剂，来提高碳化硅的点缺陷或位错密度来以提高晶界和体积扩散的活化作用，从而在稍低的温度下（2000-2200℃）获得较高密度（90-95％），同时碳化硼材料抗弯强度和断裂韧性低、耐冲击性差的缺点也得到了一定程度的弥补。

烧结助剂的种类繁多，主要有以下几类:Y2O3、TiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物；Al、Cu、Fe、Si等金属单质；C、TiC、SiC等碳或碳化物；TiB2、CrB2等硼化物。研究表明，以Al、Si分别作为烧结助剂，在2050℃、常压烧结180min下对碳化硼粉末进行烧结，得到的复相陶瓷相对密度大于93％，其中含Al碳化硼陶瓷抗弯强度298MPa，含Si碳化硼陶瓷抗弯强度344MPa；添加TiB2可得到相对密度高且烧结温度低的复合材料，；而要得到力学性能最好的复合材料，最优添加剂是TiC。

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