碳化硼陶瓷的烧结与应用，如何克服烧结难题？

碳化硼（B4C）具有高熔点、超高硬度、低密度、耐磨损和耐腐蚀等独特的优异性能，在国防、核能、航空航天、机械、耐磨损技术等领域，正日益显示出其广阔的应用前景。碳化硼的晶格结构可看作立方点阵在空间对角线方向上延伸在每一角形成的规则二十面体，因而其结构十分稳定。但碳化硼密集的共价键让其自扩散系数极低、晶界迁移困难，导致其烧结性能差，致密化困难、断裂韧性低，极大限制了B4C的应用范围。因此，烧结是碳化硼陶瓷制备中非常关键的一环。

1、碳化硼陶瓷的应用

国防领域

碳化硼陶瓷的高熔点、高硬度和低密度使其成为防弹材料应用领域的理想替代品。目前，碳化硼防弹材料已广泛应用在防弹衣、防弹装甲、武装直升机以及警、民用特种车辆等防护领域。

防弹衣：碳化物类陶瓷是一种具有新型结构的高硬度陶瓷，在警察、士兵的防弹背心、防弹头盔等防护领域中得到广泛应用。

防弹装甲：装甲陶瓷材料普遍应用在附加顶、舱盖、排气板、炮塔座圈、防弹玻璃、枢轴架等装甲构件中以及坦克车辆的下车体；还用于制造躯干板、侧板、车辆门和驾驶员座椅。

武装直升机：在装甲陶瓷材料中，碳化硼的高弹性模量、低密度使其成为军事装甲和空间领域材料方面的最佳选择，它的迅猛发展为我国提供了一种新型的轻质高性能防弹装甲制品。碳化硼陶瓷的特性特别适宜用于武装直升飞机和其他航空器，改进了传统的设计，可以起到抵挡来自地面的炮弹袭击作用。

警、民用特种车辆：碳化硼陶瓷是阻挡低能弹丸的优良材料，在警、民用特种车辆上得到广泛应用。碳化硼陶瓷正替代传统的装甲钢板，装备于特种车辆的地板、车门、工具箱、车内座椅等重要部位，成为警、民用特种车辆改装的新型防弹材料。

 耐磨领域 在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合（共价键占90%以上），其硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，而且在1300℃以上碳化硼的硬度比金刚石和立方氮化硼还要高，其耐磨性比碳化硅和刚玉更高一筹。利用碳化硼的高硬度可制备各种喷嘴，如用于船体除锈的除砂器喷嘴及高压喷射水切割用喷嘴等。碳化硼用作其他硬质材料如硬质合金、工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料，取代原来使用的金刚石磨料，可以大大降低研磨过程的成本。例如，碳化硼器件用作气动滑阀、热挤压模、原子能发电厂冷却系统的轴颈轴承；用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀、耐磨损部件。
 核能领域 在反应堆堆芯组件中，中子吸收材料（控制棒、调节棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是仅次于燃料元件的重要功能元件。碳化硼的中子吸收截面高，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，吸收中子后没有强的二次辐射，废料易于处理，常用于核反应堆的中子吸收材料。此外，碳化硼资源丰富，耐腐蚀，热稳定性好，不产生放射性同位素，二次射线能量低等，因此碳化硼被广泛地用作核反应堆中的控制材料和屏蔽材料。

 航空方面 在火箭的动力系统——火箭发动机中，碳化硼作为起着输送液体燃料作用的流量变送器轴尖的重要组成原料，发挥着重要作用；飞行器的导航系统中，陀螺仪是不可或缺的重要组成部分，碳化硼作为陀螺仪的添加材料能有效增加其寿命。

2、碳化硼陶瓷的烧结工艺，如何改善？

目前碳化硼陶瓷的烧结工艺主要包括无压烧结、热压烧结以及放电等离子体烧结(SPS)等。然而，这些烧结工艺往往存在温度过高、晶粒粗化、尺寸受限等问题。

 无压烧结 无压烧结是在常压下烧结陶瓷制品的一种方法，也是最简单和应用最广泛的一种烧结方法，这种方法生产成本低，在实际生产中可以大规模生产。B4C粉末对碳化硼陶瓷性能的影响极为关键，但纯的碳化硼无压烧结致密化较为困难，需要添加不同种类的烧结助剂，或者使用其他有效手段制备。碳作烧结助剂。采用无压烧结，用碳作烧结助剂制备碳化硼陶瓷：当碳的质量分数为3%时，其相对密度为92.7%，抗弯强度高达403MPa。Cr3C2为烧结助剂。无压烧结碳化硼，B4C材料的密度随Cr3C2含量和烧结温度的提高而增加。2100℃和2150℃温度下，当Cr3C2含量大于25%时，碳化硼材料的密度可达95%。添加二氧化锆（ZrO2）。加入ZrO2后，能增加烧结样品的硬度，不管二氧化锆的量添加多少，硬度值均为30~31.5GPa。

 热压烧结 热压烧结是将干燥、混合均匀的碳化硼粉料填充入高强石墨模具内，一边加热一边从单轴方向加压，是成型和烧结相结合的一种烧结方法。与无压烧结相比，热压烧结可以在相同的温度下获得致密性更高的制品。其通常在陶瓷配方组成中加入烧结助剂来降低烧结时使用的压力、烧结温度和减少烧结时间。

GdB6作为添加助剂。随着GdB6添加量（2%~8%）的增加，碳化硼材料的硬度增加，致密化程度提高，但抗弯强度降低。Si3N4作为烧结助剂。采用工业碳化硼粉末为原料，采用水基流延成型和热压烧结方法成功制备出碳化硼陶瓷。采用粒径为1.5μm的粉末。在1950℃温度下热压烧结后，碳化硼陶瓷的综合性能较好。第二相粒子ZrB2。研究发现，添加第二相粒子ZrB2（含量20wt.%）对碳化硼陶瓷性能较好，其密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性均有所提高。

 放电等离子烧结 放电等离子烧结是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法，致密化的驱动力通过直接穿过颗粒材料的电流提供。在烧结系统中通过调节电流大小控制升温速率和烧结温度，使高能脉冲集中在晶粒结合处，从而使材料达到低温快速高效烧结。可用于在相对较低的温度和较短的时间内生产致密化制品，并且不会出现任何明显的晶粒生长。由于纯碳化硼粉末不易烧结致密化，为了在较低烧结温度条件下制备高性能碳化硼陶瓷材料，添加不同烧结助剂制备碳化硼陶瓷受到不少国内外研究学者的关注。氧化铝作烧结助剂。添加氧化铝以及放电等离子烧结技术的应用有利于碳化硼陶瓷的致密化。也有研究者以Y2O3为烧结助剂，同样采用放电等离子烧结技术制备碳化硼，在1350-1500℃的范围内，可以制备出接近完全致密的碳化硼陶瓷。

 其他烧结技术 目前，制备碳化硼除了无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结等较为常见的方法以外，还发展了微波烧结、热等静压烧结等先进高效的烧结方法。● 微波烧结有烧结速度快、操作过程简单方便、节能环保等优点，是一种活化烧结技术，有利于晶粒均匀生长，可提高制品的致密化程度。因此，微波烧结被认为是一种将碳化硼生坯快速致密化为陶瓷块的可行方法。● 热等静压烧结是一种工艺简单、低成本的制备技术，可以制备出高密度、高强度、晶粒均匀分布的产品，且该技术能够实现结构复杂的产品一次性成型。综合上述分析，可以看出随着烧结技术的发展，通过采用添加烧结助剂、优化粉体颗粒等方法，使得碳化硼陶瓷的优异性越来越突出。未来仍需要按照实际使用环境的要求，来改善B4C陶瓷的结构和性能，并且不断完善和发展新的烧结技术，从而不断降低其制造成本，提高其可靠性和强韧性，使碳化硼陶瓷这种优异的工程材料获得更广泛的应用。

3、小结

碳化硼材料具有诸多优异性能，在耐火材料、研磨陶瓷和防护装甲等领域具有广泛应用。随着烧结技术的发展，碳化硼陶瓷的优异性越来越突出，碳化硼陶瓷在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要，许多经济发达国家在考虑新型产业的发展方向时首选的基础材料就有碳化硼。