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热压碳化硼防弹陶瓷制备工艺及解决方案
点击次数:109 发布时间:2020-09-21

    碳化硼是一种新型非氧化陶瓷材料,因其具有熔点高、硬度高、密度低、热稳定性好,抗化学侵蚀能力强和中子吸收能力强等特点而被广泛应用于能源、军事、核能以及防弹领域。碳化硼又称黑钻石,是仅次于金刚石和立方氮化硼的第三硬材料,故成为超硬材料家族中的重要成员。

 

    目前碳化硼防弹材料主要通过烧结法制备,不过碳化硼是共价键很强的陶瓷材料,共价键占90%以上,而且碳化硼的塑性差,品界移动阻力很大,固态时表面张力很小,从而决定了碳化硼是一种极难烧结的陶瓷材料。纯碳化硼在烧结过程中通常存在烧结温度高、烧结后所得陶瓷致密度低,断裂韧性较差等问题。工业上一般采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等技术,通过改进烧结工艺、添加烧结助剂提高碳化硼的力学性能,为进一步研究碳化硼的烧结工艺奠定基础。

  

    纯B4C的无压烧结致密化非常困难,气孔缺陷和致密度是影响碳化硼陶瓷性能指标的关键因素。而烧结温度和粉末粒度是影响碳化硼陶瓷致密度的重要指标。研究表明,纯碳化硼无压烧结致密化最主要的条件是采用低氧含量的粒度≤3μm的超细粉末且温度范围在2250~2350℃。

    无压烧结碳化硼制品工艺简单、加工成本低,对烧结条件没有太多要求,可适用于生产形状复杂的产品,适合大批量工业化生产,是制备陶瓷常用的烧结技术。但由于烧结温度高,晶粒容易异常生长,使烧结过程难以控制,产品性能不稳定。

  

    热压是在高温条件下改善粉末塑性,具有成型压力低,变形阻力小,产品密度高,显微组织优良等优点,因而,降低碳化硼的烧结温度可以采用热压烧结工艺。

    与单纯热压相比,将液相烧结和热压烧结相结合,烧结温度大大降低,致密度相对提高。

    通常热压烧结条件为:真空或惰性气氛,压力20~40MPa,温度2200~2300℃,保温时间0.5~2h。碳化硼是共价键很强的化合物,在高温下烧结扩散速率慢,物质流动发生较少,使其致密化过程非常困难。

    为了降低烧结温度和表面能,提高碳化硼陶瓷的综合性能,必须加入添加剂来促进碳化硼的热压烧结。添加剂包括烧结助剂或第二相反应烧结,在高温高压条件下,可以促进烧结,控制晶粒长大,提高力学性能,获得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷产品。目前加入的添加剂主要包括金属单质(Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr等)、金属氧化物(Al2O3、TiO2等)、过渡金属碳化物(CrC、VC、WC、TiC等)及其他添加剂(AlF3、MgF2、Be2C、Si等)。

    热压烧结的特点是工艺较复杂,对设备要求高,加工成本高且生产效率低,而且只能制备形状较为简单的产品。

 

    热等静压烧结碳化硼,将粉末压坯成型或装入包套的粉料放入高压容器中,无需烧结助剂,把惰性气体作为传递压力的介质(如N2、Ar),使粉料受到各向同性的压力,降低烧结温度,可获得细晶显微结构、高弯曲强度和致密度的碳化硼陶瓷材料。

    热等静压烧结的特点是陶瓷材料的显微结构均匀,综合性能好,设备费用较高,只能加工形状简单的零件。

 

    放电等离子烧结(SPS)是集等离子活化、电阻加热和热压为一体,具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、冷却迅速、外加压力、材料致密度高和烧结气氛可控等特点的一种新型快速烧结技术。可以有效利用粉末内部的自身发热,放电点的弥散分布实现均匀加热。

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