碳化硼防弹陶瓷工程应用分析

第４ｌ卷第３期　中　国　陶　瓷　ＶＯ１．４１　ＮＯ．３　２００５年６月　ＣＨＩＮＡ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｊｕｎｅ．２００５　研究与开发　碳化硼防弹陶瓷工程应用分析　程卫桃　（华南理工大学材料科学与工程学院，　广州　５　１　０６４１）　摘　要：Ｂ　ｃ密度是陶瓷材料中最轻的　具有较高的弹性模量　用于军事装甲和空问领域是一个非常理想的　陶瓷材料。　关键词　Ｂ　ｃ　烧结　热等静压烧结　中图分类号：Ｔ０１　７４．７５　８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－９６４２（２００５）０３－００３１－０２　碳化硼材料化合物首次被人们发现是在１　８　５　８年，　１　８８５年首次出现在文献中，１　８９４年由Ｈ．Ｍｏｉｓｓｏｎ在　实验中合成成功。当时，人们并不十分清楚这种化合　物的具体成分和结构，而只是猜想为一系列成分各异　的化合物（Ｂ　Ｃ、ＢＣ　）。直到ｌ９３４年，经过大量的基　本结构分析，才确定Ｂ　Ｃ是唯一稳定的硼碳化合物。之　后不久，电炉生产工业Ｂ　Ｃ研究成功，Ｂ　Ｃ作为磨料　开始在工业上得到应用。然而，人们很快发现，尽管　这种材料的硬度极高，但很脆，易氧化，与金属亲合　力强，使得用它制造切削工具的想法濒于破灭。在以　后的一段时期，人们对它的研究主要集中在学术方面，　有关Ｂ　Ｃ的大量基础研究多是在这段时间内完成的。　Ｂ　Ｃ的研究尤其是基础研究工作，很早即开始，但　仅以Ｂ一一Ｃ二元系统为例，至今尚还有许多问题没有完　该反应为放热反应，一般要严格地控制反应过程　全清楚，仍然有人在进行研究。最早的研究工作认为，　才能获得纯度较高而且成分稳定的Ｂ　Ｃ粉，多数情况　下，不允许有剩余的Ｃ存在，为了保证这一点，往往　Ｂ　Ｃ二元系统中共存在ｌ　３种不同成分的硼碳化合物，　加入余量的Ｂ。熔融的Ｂ　Ｃ要经过碎化处理才能成为　即Ｂｌ６Ｃ、ＢＩ！Ｃ３、Ｂ１　Ｃ１　Ｂ１　７Ｃ３、Ｂ６Ｃ、Ｂ７Ｃ、Ｂ８Ｃ、Ｂ１　３Ｃ！、　细小的粉末，这一过程通常很贵，因而也大大地增加　Ｂ，　Ｃ、Ｂ　，Ｃ、Ｂ　Ｃ　、Ｂ　Ｃ、ＢＣ　。之后，又有人发现了　了生产成本。　另外三种硼碳化合物，即Ｂ　Ｃ　、Ｂ。　Ｃ　Ｂ　Ｃ，，并认　为与低温相有关。　后来Ｅｌｌｉｏｔｔ通过的出色工作，大家　利用气相沉积过程，即：　ＢＸ　＋Ｃｇ（ＣＨ　，ＣＯ，ＣＸ４・・’）＋Ｈ，Ｂ　Ｃ＋ＨＸ＋（Ｂ　Ｏ，’・・）　基本接受了只存在一个硼碳化合物（Ｂ　Ｃ）这样一个事　可以制备超细的Ｂ４Ｃ粉末。但此方法只适用于实　实，其成分范围为８．８～２０．０ａｔ％Ｃ，液相线在成分Ｂ　Ｃ　验研究。　处达到最高点（２４５０℃）根据Ｃ在Ｂ中的分配系数，估　计在富Ｂ端有一个简并的共晶反应存在。Ｅ１１ｉｏｔｔ所研　Ｂ　Ｃ属于共价键化合物（共价键占９０％以上），难　究的相图如下图１所示。　于烧结，通常只有在高温高压下才能获得较高致密度　的烧结体，既便是使用超细粉末，而且烧结温度接近　图中Ｃ在Ｂ　Ｃ中的上限成分为２０．０ａｔ％Ｃ，下限成　熔点，但如果不施加压力，烧结密度仍然不会很高，原　分约为９．Ｏａｔ％Ｃ，Ｂａｄｕｖｙ等人则认为，随着温度的升　因很简单，即产生致密化过程所需要的晶界扩散和体　高，Ｃ在Ｂ　Ｃ中的固溶度可能上升到２１．４～２３．１　ａｔＣ，　但没有被实验所证实。　扩散在２０００℃以上才明显发生，而在２０００℃以下，一　般只发生强烈的表面扩散（１　５００～１　８００℃）和蒸发凝　Ｂ　Ｃ粉末的制备方法，现代工业生产Ｂ　Ｃ的方法　与最原始提出的方法基本相同，即硼酸或脱水氧化硼　聚过程（＞１　８００℃）。　Ｋｅｒｌｅｒ等人将Ｂ　Ｃ的热压烧结过　与碳黑在电炉中进行高温还原反应：　程分为四个阶段，分别对应的致密化机制为塑性流动，　２Ｂ，Ｏ　（Ｈ　ＢＯ　）＋７Ｃ－Ｂ　Ｃ＋６ＣＯ＋（３Ｈ，Ｃ）　粘性流动，品界扩散和体扩散。Ａｎｇｅｒｓ和Ｂｅａｎｖｙ通　过研究烧结条件和粉末性质对工业Ｂ　Ｃ热压烧结行为　收稿日期：２００４—１２　２２　作者介绍：程卫桃（１９７３），华南理工大学材料科学与工程学院材料专业工程硕士。　维普资讯 http://www.cqvip.com

３２　中国陶瓷　２００５年第３期　影响发现，施加压力是必要的，但加大压力并不等于　过提高烧结密度、细化晶粒等基本途径可以明显地改　就能大大降烧结温度。　善强度，但断裂韧性增加不大，这与单相材料本身的　从文献资料上看，以下这些元素或化合物Ａ　ｌ、　局限性有关。因此，要想减轻Ｂ　Ｃ的穿晶断裂的倾向，　Ａｌ，０　、Ａ１Ｆ　、Ｂｅ，Ｃ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｇＦ，、Ｎａ　Ｓｉｌｉｅａｔ、Ｓｉ、　增加断裂韧性，走“复合”之路似乎是最后的选择。例　ＴｉＢ　、Ｖ、ＺｒＢ，等都有可能促进Ｂ４Ｃ的热压烧结，但　如，利用化学稳定性较好的ＢＮ与Ｂ　Ｃ复合，可使材　由于缺乏系统深入的工作，很难给出正确的好评价。　料的抗热冲击性能得到改善，同时使对金属的稳定性　碳化硼最重要的性能是其超常的硬度（３　５～４　增加，利用抗氧化性能较好的Ｓｉ　Ｃ与Ｂ　Ｃ复合，可提　５　Ｇ　Ｐ　ａ），尤其是近于恒定的高温硬度是其它材料所　高抗氧化性能和高温性能，利用过渡族金属硼化物　无法比拟的。高温硬度研究发现，当温度超过４００℃和　（ＴｉＢ，、ＺｒＢ，等）的热膨胀系数和各向异性所造成的裂　ｌ　０００℃时，Ｂ　Ｃ的硬度会分别超过立方氮化硼和金刚　纹倾转效应，可显著提高材料的断裂韧性。复合材料　石，成为最硬的材料。这一温度范围正是重要的工程　的前景是十分诱人的，但问题是选择什么样的途径来　温度范围。碳化硼的硬度对成分和组织比较敏感，偏　实现“复合”之目的。　离化学计量成分的（Ｂ　Ｃ）的硬度要下降，此外，烧结　总之，碳化硼材料能否在工程下得到更广泛的应　添加剂的使用也会导致硬度的下降。　用取决于三个基本问题的解决：　工业用Ｂ．Ｃ的强度和韧性比较低，这主要是由于　①烧结温度的降低；　组织粗大（２５０ｕｍ）、缺陷多、致密度不高所致辞，通　②强度和断裂韧性的提高；　③抗氧化行为的改善。　结构决定性能是自然界永恒的定律。对新型Ｂ　Ｃ　度　材料体系，其性能取决于微观组织结构，而微观组织　（℃）　结构的形成与化学成分　绕结工艺和相反应过程密切　相关。　鉴于Ｂ．Ｃ陶瓷的特性和作为防弹装甲陶瓷的重要　意义，景德镇特种陶瓷研究所研究新型的Ｂ．Ｃ基超硬　防弹陶瓷材料进行了从原材料配方、烧结工艺（见ＨＩＰ　工艺过程曲线图２）到制成成品、性能检测一系列工作　中取得了良好的结果。所研制的高性能Ｂ　Ｃ陶瓷达到　了企业标准（Ｑ／ＪＴＴＯ　ｌ一２０００）和美军军标（ＭＩＬ　Ｂ４Ｃ｛￣ＪｔｔＩＰ『　艺过　【ｌｌ１线　时间（ｍｉｎ）　Ａ　４０６ｌ０３Ｄ），其技术水平国内首创，填补了国内空　白，在国际上达先进水平，为我国提供了一种新型的　图２　ＨＩ　Ｐ工艺过程曲线　轻质高性能防弹装甲产品。　ＴＨＥ　ＡＰＰＬ　Ｉ　ＣＡＴ　Ｉ　ＯＮ　ＯＦ　Ｂ４Ｃ　ＭＡＴＥＲ　Ｉ　ＡＬ　ＦＯＲ　ＴＨＥ　ＢＵＬＬＥＴＰＲ００Ｆ　ＣＥＲＡＭ　ｌ　ＣＳ　Ｃｈｅｎｇ　Ｗｅ／ｔａｏ　（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈ／ｎａ　Ｕｎ／ＶＣｒＳ／ｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｕａｎｇ　ｚｈｏｕ　５／０６４／）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｂ４Ｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｈｉｇｈ　ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｖｏｌｕｍｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｐｌａｔｅ　ａｒｍｏｒ　ａｎｄ　ｓｐａｃｅ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂ４Ｃ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ＨＩＰ　补正：本刊２００５年第二期文章　景德镇陶瓷适用专利或商业秘密法律保护的选择　（作者金晓虹）　的作者单位为“景德镇高等专科学校”，并且本文为２　０　０　５年江西省普通高校人文社会科学“十五”规划研　究项目立项课题（课题编号Ｆ　Ｘ　０　５　ｌ　０）：“景德镇陶瓷知识产权法律保护”的系列论文。