碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用

碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用

李国健

浙江立泰复合材料股份有限公司， 浙江 湖州 313200

摘要：碳化硼陶瓷是一种新型功能陶瓷材料，具有硬度高、高温强度大、抗热震性好和抗蚀性强等特点，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。本文介绍了碳化硼陶瓷的性能、制备方法及在防弹领域的应用进行了探讨。

关键词：碳化硼陶瓷；烧结工艺；防弹领域

1 引言

碳化硼是一种新型功能陶瓷材料，具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损等优良特性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。碳化硼陶瓷因其具有超高硬度（HV7000）、高温强度（1000℃）和高强度（1800 MPa），同时又具有良好的韧性和抗热震性，被誉为“陶瓷中的钻石”。因此，对碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用将具有良好的现实意义。

2 碳化硼防弹陶瓷的制备方法

2.1 无压烧结

无压烧结是一种既简便又经济的制备方法，其所需要的主要设备有冷压压制机和烧结炉。目前，碳化硼陶瓷无压烧结成型工艺主要有灌浆成型工艺、凝胶注模成型工艺、冷等静压成型工艺等。通过单向挤压的方法，获得了足够加工强度的坯料。冷等静压可获得致密、受力均匀的毛坯，其性能显著改善，逐渐成为高性能碳化物制品的普适性成形技术。

纯B4C的无压烧结是一种极难实现的材料，其致密化过程中的孔洞缺陷及致密程度是决定材料性能的重要因素。结果表明，烧结温度、粉体尺寸对致密程度有较大的影响。粉体材料对碳化硼陶瓷的烧结性有很大的影响。粉体越细，加热速度越快，对提高致密度越有利。随着粉体尺寸的减小、比表面积的增大，烧结驱动力增大：提高粉体的表面积、提高烧结温度，使致密性得到提高，致密度达到56%-71%。迅速的加热有利于获得高的致密性的良好的显微组织，这是由于挤压能够被加热到这样的温度，在微观组织变粗化之前发生致密化。结果表明，在2250-2350℃的高温下，使用含氧量≤3 m的超细粉，是实现纯碳化硼无压烧结的关键。

1.2 热压烧结

热压烧结是在高强石墨模中填充干燥混合均匀的碳化硼粉末，并在加热的同时，对其进行单向加压，从而达到成形与烧结的目的。它的优点是无需另一道工序。在热压过程中，由于电流作用而引起的焦耳热，以及由于压力作用而引起的塑性形变，都会加速热压烧结的进行。材料的迁移机制包括：热压引起的塑性流变，颗粒重排，应变诱发孪晶，晶界滑移，蠕变，后期再结晶和体积扩散。利用粉末材料在受热、受压过程中呈现的热塑性，有利于粒子的扩散与传质，可以有效地降低烧结温度与时间，从而制备出致密度高、气孔少、晶粒细小且具有优良机械性能的碳化硼陶瓷。

1.3热等静压烧结（HIP)

采用热等静压烧结方法，在不使用任何烧结剂的情况下，通过对粉料进行压坯或将粉料装入高压容器内进行热态等静压，在不使用任何烧结剂的情况下，利用惰性气体（如N2, A）进行传压，对粉料施加均一的压力，从而降低烧结温度，从而得到具有细晶结构、高弯曲强度、高致密度的碳化硼陶瓷。Larker等人在超过1700℃的高温下，200 MPa的压力下，60分钟的保温时间下，用一种亚微米级的纯净的碳化硼粉末填充了一种特殊的氧化硼玻璃，并成功地制备出了一种具有100%致密度的碳化硼陶瓷材料，该材料的三点弯曲强度为714 MPa，韦伯摸数 m为8.3。

2碳化硼陶瓷在防弹领域的应用

2.1 防弹衣

人员安全保护一直是世界各国国防科研工作者共同关心的重大课题。碳化物基陶瓷是一种结构新颖的高硬陶瓷材料，主要用于警察和军人的防弹背心和防弹头盔等部位。

按照其应用范围，可将其划分为军事装备和警察装备两大类。军队的防弹衣是为了保护军队的武器，而警察的防弹衣则是为了保护轻型武器。而警用防弹衣又可以按照其使用对象和任务的差异，可以分为以下几种类型：通用治安防弹衣、刑警用防弹衣、巡警用防弹衣、战术防弹衣和特种武器。

现在世界上的防弹衣，按照材质的不同，分为三种形式：硬质、软质、软硬结合式。坚硬的防弹衣，主要是由金属、陶瓷等材料制成，因为其具有良好的硬度性质，子弹很难打穿，所以可以起到很好的防御作用。特点：体积大，造价低廉。这种软装甲主要是用诸如“凯夫拉”等数十层的高强度纤维和其它纤维原料制成的。可以用来抵挡各种中慢速子弹的冲击。特性：因其柔软度好，重量轻，可作日常穿着，不宜长时间在湿热的地方。软性防弹背心的穿着舒适，柔软，弹性好，重量轻，但是价格昂贵。所谓“软硬结合”，就是在防弹服中，加入了陶瓷、钢板等硬质材料，这种防弹服可以抵挡往复枪的攻击，并且具有最好的防弹性。特点：体积较大，机动性较差，多为外衣，不宜经常穿着，但有较大的防护面积和较高的安全性。

防弹背心被认为是对身体的一种保护，在1960年代早期，美国海军和陆军首次开发出了“拦截者”背心，这是一种新型防弹背心。美国与以色列已经制造出一种将碳化硼陶瓷晶片镶嵌在凯夫拉纤维内的防弹背心。防弹材料是防弹衣的重要组成部分，也是决定其防弹性的关键，目前还没有一种单涂层的防弹衣，研究人员将对防弹纤维的性能进行了深入的研究，以期能够让一件更加轻便、更加舒适的防弹衣成为可能。

2.2 防弹装甲

我国防弹陶瓷最早应用于防弹装甲领域。就防弹装甲来说，其抗冲击性能是其一个重要的指标，它与组成它的材质有很大的关系。目前，世界上已经在工程上使用的有氧化铝，碳化硼，碳化硅，氮化铝，硼化钛，氮化硅。目前应用于装甲保护的单一相瓷体有两种：氧化铝，碳化硼，碳化硅。

目前，陶瓷装甲材料多用于防弹装甲车，而实际使用中多为复合装甲。在附加顶，舱盖，排气板，炮塔座圈，防弹玻璃，支承框架，和坦克车的下部车身，都有广泛的使用。也可以用来制作后备箱面板，侧面面板，车门和司机座位。在防弹板上，要尽量满足“高硬，高韧，高强度，低成本，低密度”的要求。防弹装甲材料正朝着多元化、复合化和轻质化方向发展，从多个方面提升防弹车的防御力，以应对更高层次的威胁。

3 结束语

综上所述，碳化硼陶瓷的制备方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结等。目前，碳化硼陶瓷被广泛应用于防弹衣、防弹装甲、武装直升机、特种兵车辆等武器装备中。近年来，生物学及纳米科技的发展，使得研发具有弹性及强度的新型防弹材料成为可能。

参考文献

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