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熱壓碳化硼防彈陶瓷製備工藝及解決方案

日期:2020/9/21 15:57:17

    碳化硼是一種新型非氧化陶瓷材料,因其具有熔點高、硬度高、密度低、熱穩定性好,抗化學侵蝕能力強和中子吸收能力強等特點而被廣泛應用於能源、軍事、核能以及防彈領域。碳化硼又稱黑鑽石,是僅次於金剛石和立方氮化硼的第三硬材料,故成為超硬材料家族中的重要成員。

 

 

 

 

    目前碳化硼防彈材料主要通過燒結法製備,不過碳化硼是共價鍵很強的陶瓷材料,共價鍵占90%以上,而且碳化硼的塑性差,品界移動阻力很大,固態時表麵張力很小,從而決定了碳化硼是一種極難燒結的陶瓷材料。純碳化硼在燒結過程中通常存在燒結溫度高、燒結後所得陶瓷致密度低,斷裂韌性較差等問題。工業上一般采用無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結等技術,通過改進燒結工藝、添加燒結助劑提高碳化硼的力學性能,為進一步研究碳化硼的燒結工藝奠定基礎。

 

 

 

 

    純B4C的無壓燒結致密化非常困難,氣孔缺陷和致密度是影響碳化硼陶瓷性能指標的關鍵因素。而燒結溫度和粉末粒度是影響碳化硼陶瓷致密度的重要指標。研究表明,純碳化硼無壓燒結致密化最主要的條件是采用低氧含量的粒度≤3μm的超細粉末且溫度範圍在2250~2350℃

 

 

    無壓燒結碳化硼製品工藝簡單、加工成本低,對燒結條件沒有太多要求,可適用於生產形狀複雜的產品,適合大批量工業化生產,是製備陶瓷常用的燒結技術。但由於燒結溫度高,晶粒容易異常生長,使燒結過程難以控製,產品性能不穩定。

 

 

 

 

    熱壓是在高溫條件下改善粉末塑性,具有成型壓力低,變形阻力小,產品密度高,顯微組織優良等優點,因而,降低碳化硼的燒結溫度可以采用熱壓燒結工藝。

 

 

    與單純熱壓相比,將液相燒結和熱壓燒結相結合,燒結溫度大大降低,致密度相對提高。

 

 

    通常熱壓燒結條件為:真空或惰性氣氛,壓力20~40MPa,溫度2200~2300℃,保溫時間0.5~2h。碳化硼是共價鍵很強的化合物,在高溫下燒結擴散速率慢,物質流動發生較少,使其致密化過程非常困難。

 

 

    為了降低燒結溫度和表麵能,提高碳化硼陶瓷的綜合性能,必須加入添加劑來促進碳化硼的熱壓燒結。添加劑包括燒結助劑或第二相反應燒結,在高溫高壓條件下,可以促進燒結,控製晶粒長大,提高力學性能,獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產品。目前加入的添加劑主要包括金屬單質(FeAlNiTiCuCr等)、金屬氧化物(Al2O3TiO2等)、過渡金屬碳化物(CrCVCWCTiC等)及其他添加劑(AlF3MgF2Be2CSi等)。

 

 

    熱壓燒結的特點是工藝較複雜,對設備要求高,加工成本高且生產效率低,而且隻能製備形狀較為簡單的產品。

 

 

 

 

    熱等靜壓燒結碳化硼,將粉末壓坯成型或裝入包套的粉料放入高壓容器中,無需燒結助劑,把惰性氣體作為傳遞壓力的介質(如N2Ar),使粉料受到各向同性的壓力,降低燒結溫度,可獲得細晶顯微結構、高彎曲強度和致密度的碳化硼陶瓷材料。

 

 

    熱等靜壓燒結的特點是陶瓷材料的顯微結構均勻,綜合性能好,設備費用較高,隻能加工形狀簡單的零件。

 

 

 

 

    放電等離子燒結(SPS)是集等離子活化、電阻加熱和熱壓為一體,具有升溫速度快、燒結時間短、晶粒均勻、冷卻迅速、外加壓力、材料致密度高和燒結氣氛可控等特點的一種新型快速燒結技術。可以有效利用粉末內部的自身發熱,放電點的彌散分布實現均勻加熱。

 

 

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