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碳化硼陶瓷在国防军工领域是如何发挥“威力”的?


来源:中国粉体网   初末

[导读]  碳化硼是一种新型非氧化物陶瓷材 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而被应用于国防军工领域 ,在国民安全的维护中发挥着重要的作用。

中国粉体网讯  碳化硼是一种新型非氧化物陶瓷材 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而被应用于国防军工领域 ,在国民安全的维护中发挥着重要的作用。




碳化硼陶瓷的制备


热压烧结


热压烧结由于高温下的压力作用 ,使得颗粒发生重排和产生塑性流动 ,导致晶界滑移和应变诱导孪晶、蠕变及体积扩散。这些机制的共同作用可获得高致密度高强度的碳化硼陶瓷。热压烧结在惰性气氛或真空中进行 ,一般热压温度2200℃~2300℃ ,压力20MPa~40MPa ,保温时间0.5h~2h ,但碳化硼是共价键很强的化合物 ,无添加的烧结很难得到高致密度、高性能的产品 ,为了降低碳化硼的烧结温度及改善碳化硼的性能 ,必须加入烧结助剂来促进烧结。由于碳化硼抗热震性较差 ,因 此要缓慢降温 ,热压烧结只能制备形状较简单的制品。


热等静压烧结


采用热等静压烧结碳化硼 ,可无需添加剂而达到致密化 ,并且获得细晶显微结构和高的弯曲强度。热等静压是将惰性气体如N2、Ar等作为传递压力的介质 ,将碳化硼粉末压坯或装入包套的粉料放入高压容器中 ,使粉料经受高温和均衡压力 ,降低烧结温度 ,避免晶粒长大 ,可获得高致密度的碳化硼陶瓷材 料。与一般热压法相比 ,它可以使物料收到各同向性的压力 ,因 而陶瓷的显微结构均匀 ,缺点是设备费用较高和待加工工件尺寸收到限制。


无压烧结


纯碳化硼无压烧结致密化困难 ,影响碳化硼陶瓷致密度的主要因 素为烧结温度与粉末粒度。在常压下2300℃烧结 ,其制品的相对密度一般低于80% ,且容易出现异常晶粒长大和表面熔化现象。增大碳化硼粉末的比表面积并减小其平均粒度 ,可在一定程度上  提高烧结密度。因 此 ,为了降低烧结温度、提高碳化硼制品的综合性能 ,一般需加入烧结助剂 ,如单质硼、碳、铝等来促进碳化硼的烧结。


放电等离子烧结(SPS)


近年发展起来的放电等离子烧结(SPS)是一种快速烧结的新工艺 ,可以实现材 料的低温快速高效烧结。SPS烧结过程中 ,电极通入脉冲直流大电流时瞬间产生的放电等离子体 ,使烧结体系内各个颗粒自身均匀地产生焦耳热使颗粒表面活化。SPS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。另外 ,SPS可以实现颗粒间的有效放电使其产生局部高温 ,颗粒表面局部熔化、表面氧化膜剥落。采用这种新的烧结技术可以在无烧结助剂的情况下 ,实现碳化硼陶瓷高致密化烧结 ,而且制品结构均匀、化学成分可控。


碳化硼陶瓷应用于防弹领域


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、武装直升机等防护领域。


防弹衣



“拦截者”防弹衣


目前各国防弹衣根据防弹材 料来分 ,可分为硬质、软质、软硬结合式三种形式 ,其中 ,硬质防弹衣主要由金属、陶瓷及其他复合材 料构成 ,因 其自身的硬度很高 ,子弹难以穿透 ,从而达到防弹的目的。防弹衣被视为人体防护的重要装备 ,美国海军陆战队和陆军第一件用于个人防护的碳化硼防弹衣“拦截者”于20世纪60年代初期研制成功。到2012年 ,共有6.8万套“拦截者”防弹衣投入战场。美国和以色列还生产出了在Kevlar织物中嵌入碳化硼陶瓷芯片的防弹衣。


防弹装甲



德国的豹式坦克


装甲陶瓷材 料主要应用于防弹装甲车辆 ,用于装甲防护的单相陶瓷主要有氧化铝、碳化硼和碳化硅三种 ,但在实际应用中 ,通常以复合装甲的形式出现。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。在主坦克中 ,目前德国的豹-Ⅱ ,英国的挑战者系列 ,以色列的梅卡瓦 ,美国的艾布拉姆斯 ,EE-T1奥索里约 ,前苏联的T-72等主战坦克在其顶部、底部和四周都装有碳化物陶瓷复合装甲。


武装直升机


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。如碳化硼和Kevlar复合装甲已被广泛应用在美国黑鹰式直升机乘员座椅;在20世纪60年代 ,碳化硼陶瓷被装配到武装直升机驾驶舱地板 ,侧墙防弹板和飞行员座椅处。


碳化硼陶瓷应用于核工业领域


碳化硼中子吸收体


中子吸收材 料


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)是仅次于燃料元件的重要功能元件 ,由于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 ,从而易于废料处理。因 此碳化硼是一种重要的中子吸收材 料。


屏蔽材 料


随着各种核反应堆的发展 ,堆屏蔽材 料及其他屏蔽系统的要求越来越高 ,现在的许多屏蔽材 料已难以满足其使用要求 ,主要表现在屏蔽材 料的屏蔽效果与其他性能如力学性能、耐热性、抗辐照性等难以兼顾。碳化硼材 料可以作为核反应的屏蔽材 料。相对于纯元素B和Cd而言 ,碳化硼造价低 ,不产生放射性同位素 ,二次射线能量低 ,而且耐腐蚀 ,热稳定性好 ,因 而被广泛应用于核工业。


参考资料:

杨亮亮、谢志鹏等.碳化硼陶瓷的烧结与应用新进展

聂丹、王帅等.碳化硼陶瓷的制备工艺及其应用现状

林爽、乔英杰等.碳化硼陶瓷的性能及其在核工业领域的应用进展

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