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            碳化硼防彈陶瓷的制備方法及應用

            2022-02-14 04:26:05

            碳化硼是一種有著許多優良性能的重要特種陶瓷。碳化硼的硬度在自然界中僅次于金剛石和立方氮化硼,尤其是近于恒定的高溫硬度是其他材料無可比擬的,故成為超硬材料家族中的重要成員。在碳化硼中,硼與碳主要以共價鍵相結合,具有高熔點、高硬度、高模量、密度小、耐磨性好、耐酸堿性強等特點,并具有良好的中子、氧氣吸收能力、較低的膨脹系數、熱電性能,故廣泛應用于耐火材料、工程陶瓷、核工業、航天航空等領域。

            目前,用于防彈陶瓷的結構陶瓷主要有氧化鋁、碳化硅和碳化硼。其中,碳化硼是防彈性能zui優的裝甲材料,目前用作飛機裝甲材料和特殊用途防護結構。氧化鋁雖然綜合防護系數zui低,但因其成本zui低,所以在護身裝甲和裝甲車輛方面獲得較多的應用。碳化硼防彈陶瓷無論是防護系數,還是成本都介于二者之間。因而,降低碳化硼防彈陶瓷材料的成本研究具有很強必要性和廣闊的應用前景。


            碳化硼防彈陶瓷材料


            一、碳化硼陶瓷的制備方法

            1、碳化硼粉末的合成

            根據合成碳化硼粉末所采用的反應原理、原料及設備的不同,碳化硼粉末的工業制取方法主要有高溫自蔓延合成法和碳管爐、電弧爐碳熱還原法,近年來還出現了激光化學氣相反應法、溶膠- 凝膠碳熱還原法等。 

            1.1碳管爐、電弧爐碳熱還原法

            這是合成碳化硼粉末zui常用的方法,早在化學計量的B4C被確定(1934年)后不久,電爐生產工業碳化硼的研究即取得成功,碳化硼作為磨料開始在工業上得到應用。將硼單質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。

            1.2 自蔓延高溫合成法

            自蔓延高溫合成法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、節約能源、反應迅速及容易控制等優點,所以合成的碳化硼粉的純度較高且原始粉末粒度較細,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。

            1.3 激光誘導化學氣相沉積法

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

            1.4 溶膠- 凝膠碳熱還原法

            溶膠-凝膠法是指無機物或金屬醇鹽經過溶液、溶膠、凝膠而固化,再經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。

            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品,要求的條件很苛刻,例如粉末粒度要盡可能小,燒結溫度高,接近碳化硼的熔點。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。

            二、碳化硼防彈陶瓷應用前景

            目前,氧化鋁基防彈陶瓷已用于“502工程”及“212工程”,但在戰車車體側面等部位采用氧化鋁基陶瓷復合裝甲時,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氧化鋁基防彈陶瓷質量減輕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、未來主戰坦克、步兵戰車、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。

            工業用碳化硼的強度和韌性比較低,這主要是由于組織粗大、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zui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,并有優異的力學性能。

            文章來源:粉體圈

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