視頻：碳化硼陶瓷介紹

知識(shí)點(diǎn)名稱：碳化硼陶瓷

關(guān)鍵詞：碳化硼,B4C,Boron carbide ceramics

相關(guān)概念和介紹：

碳化硼（B4C）具有六角菱形晶格，單位晶胞有12個(gè)B原子和3個(gè)C原子。為了獲得致密的B4C，一般采用熱壓燒結(jié)法來制取。熱壓燒結(jié)的B4C可以達(dá)到理論密度的98%，制備時(shí)在真空熱壓爐或普通熱壓爐中進(jìn)行，熱壓溫度為2100℃，壓力為80~100MPa，保溫?cái)?shù)分鐘，降溫時(shí)需要保持壓力。由于B4C的抗熱震性較差，因此降溫要緩慢。熱壓溫度不宜過高，到2150℃會(huì)出現(xiàn)B4C-C共晶液相，但溫度過低，則產(chǎn)品密度低。采用B4C超細(xì)粉原料，可以獲得密度和硬度均高的碳化硼陶瓷制品。碳化硼陶瓷的一個(gè)顯著特點(diǎn)是非常堅(jiān)硬，其顯微硬度約為50000MPa（即50GPa），僅次于金剛石（90~ 100GPa）和CBN(80 ~ 90GPa) ，它的研磨效率可達(dá)到金剛石的60% ~ 70% ，是SiC的1倍，是剛玉研磨能力的1~ 2倍，它耐酸堿性能好，熱膨脹系數(shù)?。?.5x 10-6℃），因而它有較好的熱穩(wěn)定性，碳化硼還具有很好的吸收中子能力，這是其它陶瓷材料不具備的，但抗沖擊性能差，脆性大。碳化硼在1000℃時(shí)能抵抗空氣的腐蝕，不過在較高的溫度時(shí)它在氧化氣氛中很容易氧化。碳化硼有高的抗酸性與抗堿性，并且還有不被大多數(shù)熔融金屬所潤(rùn)濕的性能，且與這些物質(zhì)接觸時(shí)有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

碳化硼這一化合物最早是在1858年被發(fā)現(xiàn)的，但直到1934年，化學(xué)計(jì)量分子式為B4C的化合物才被提出和認(rèn)知。碳化硼粉末的工業(yè)制取方法主要有高溫自蔓延合成法、電弧爐碳熱還原法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、凝膠碳熱還原法等。碳化硼是目前已知材料中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高達(dá)3000kg/mm；密度低，僅為2.52g/cm，是鋼鐵的1/3；彈性模量高，為450GPa；熔點(diǎn)高，約為2447℃；其熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱率較高。

純碳化硼的致密化燒結(jié)是極其困難的。這是因?yàn)槠涔矁r(jià)鍵份數(shù)達(dá)93.94%，高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷，如SiC（88%），Si3N4（70%）等。從而使碳化硼內(nèi)氣孔的消除、晶界和體積擴(kuò)散的傳質(zhì)機(jī)制需在2000℃以上。例如，普通B4C粉末于2250~2300℃常壓燒結(jié)，只能達(dá)到80%~87%相對(duì)密度。在如此高的溫度下燒結(jié)，晶粒會(huì)快速粗化與長(zhǎng)大，不利于氣孔的排除，將造成大量的殘余氣孔使材料致密度受限制。因此碳化硼的燒結(jié)必須采用有效添加劑或進(jìn)行壓力燒結(jié)。

 

防彈陶瓷的吸能過程大致可分為3個(gè)階段：

初始撞擊階段：彈丸撞擊陶瓷表面，使彈頭變鈍，在陶瓷表面粉碎形成細(xì)小且堅(jiān)硬的碎塊區(qū)的過程中吸收能量；

侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續(xù)侵蝕碎塊區(qū)，形成連續(xù)的陶瓷碎片層；

變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產(chǎn)生張應(yīng)力使陶瓷碎裂，隨后背板變形，剩余的能量全部由背板材料的變形所吸收。彈丸撞擊陶瓷的過程中，彈丸和陶瓷均受到破壞。

防彈陶瓷材料眾多，這幾種最常用，包括氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化鈦等，其中以氧化鋁陶瓷(Al2O3)、碳化硅陶瓷(SiC)、碳化硼陶瓷(B4C)應(yīng)用最廣。B4C的密度在幾種常用裝甲陶瓷中最低，加上彈性模量較高，使其成為軍事裝甲和空間領(lǐng)域材料方面的良好選擇。但同時(shí)其對(duì)加工工藝的要求也很高，需要高溫高壓燒結(jié)，因而成本也是這3種陶瓷中最高的（是氧化鋁的10倍左右），限制了其作為單相防護(hù)裝甲的廣泛應(yīng)用。

主要缺點(diǎn)：

成本高、斷裂韌性低、燒結(jié)溫度過高（約2300℃）、抗氧化能力較差（在空氣中600℃開始氧化，900℃迅速氧化）、對(duì)金屬的穩(wěn)定性較差（除Ag、Cu、Sn、Zn等之外幾乎與所有金屬發(fā)生反應(yīng)形成金屬硼化物）、機(jī)加工困難等，這些缺點(diǎn)制約了碳化硼陶瓷塊體材料的大規(guī)模應(yīng)用。

 

應(yīng)用:

碳化硼粉末可直接用來研磨加工寶石、軸承等。利用碳化硼陶瓷其硬度大的特性，可以用作磨料、切削刀具、耐磨零件噴嘴、軸承、車軸等。利用它導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)低、能吸收熱中子的特性，可以制造高溫?zé)峤粨Q器，核反應(yīng)堆的控制劑。利用它耐酸堿性好的特性，可以制作化學(xué)器皿，熔融金屬坩堝等。

B4C陶瓷具有低密度（密度低于SiC和Si3N4陶瓷）、高硬度（高于SiC和Si3N4）、高彈性模量、耐腐蝕、耐磨損、良好的中子吸收性能，以及良好的高溫半導(dǎo)體特征等，從而在國(guó)防、核能和耐磨技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

防彈裝甲領(lǐng)域

由于B4C陶瓷具有輕質(zhì)、超高硬和和高彈性模量特性，是防彈背心、防彈頭盔和防彈裝甲的最佳材料，1960年代就開始應(yīng)用碳化硼陶瓷作為陶瓷裝甲材料。與其它防彈材料（如SiC、Al2O3）相比，B4C陶瓷更輕更硬，特別適宜用于武裝直升機(jī)和其它航空器作為防彈裝甲材料，可有效抵擋炮彈。因此，B4C陶瓷一般只用于某些對(duì)防護(hù)性能有很高要求的特殊場(chǎng)合，如美軍的V22“魚鷹”旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的機(jī)組人員座椅。另外，英軍使用的增強(qiáng)型人體護(hù)甲（EBA）也采用了碳化硼陶瓷，其可以防御12.7mm鋼心穿甲彈。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司的先進(jìn)陶瓷分公司生產(chǎn)的碳化硼陶瓷，已用作美軍“攔截者”防彈衣。1997年，美國(guó)陸軍在制造技術(shù)計(jì)劃中確定了陶瓷裝甲工藝的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要研究如何低成本大量生產(chǎn)“攔截者”防彈衣系統(tǒng)所需的碳化硼（B4C）輕武器防護(hù)插板裝甲。參加這個(gè)項(xiàng)目的單位包括美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、美國(guó)陸軍士兵與生物化學(xué)司令部，專業(yè)防務(wù)系統(tǒng)公司、Simula磯山公司、Cercom公司、以及CoorsTek公司和Ceradyne公司。到2012年，共有6.8萬套“攔截者”防彈衣投入戰(zhàn)場(chǎng)。

耐磨技術(shù)領(lǐng)域

在耐磨技術(shù)與工程領(lǐng)域，利用B4C的高硬度制備的各種噴嘴，用于船體除銹的除砂器噴嘴及高壓噴射水切割用噴嘴。B4C噴嘴在嚴(yán)酷使用條件下壽命最長(zhǎng)，比Al2O3噴嘴的壽命要提高幾十倍，比SiC和WC噴嘴壽命也要長(zhǎng)許多，性價(jià)比極高，是噴砂加工行業(yè)的最佳選擇。B4C的優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性，使其可用于泥漿和液態(tài)研磨機(jī)的噴嘴；由B4C制成的研缽、研磨棒及類似研磨裝置，是化學(xué)分析工作中的首選，因?yàn)樗杀苊庋心ミ^程中帶來的磨耗污染。

碳化硼用作其他硬質(zhì)材料如硬質(zhì)合金、工程陶瓷的拋光、精研或粉碎過程的研磨材料，取代原來使用的金剛石磨料，可以大大降低研磨過程的成本。例如，碳化硼器件用作氣動(dòng)滑閥、熱擠壓模、原子能發(fā)電廠冷卻系統(tǒng)的軸頸軸承；用作陶瓷氣體渦輪機(jī)中的耐腐蝕、耐磨損部件。

核能領(lǐng)域

在反應(yīng)堆堆芯組件中，中子吸收材料（控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是僅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，吸收能譜寬，價(jià)格低，原料來源豐富，吸收中子后沒有很強(qiáng)的射線二次輻射，從而易于廢料處理。因此碳化硼是一種重要的中子吸收材料。

溫差電偶

利用B4C的熱電性，日本和德國(guó)燒結(jié)制備出可測(cè)2200℃的溫差電偶，用于高溫的測(cè)量與控制。它的高熱電性和穩(wěn)定性使其可長(zhǎng)期可靠的使用，對(duì)溫度進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。碳化硼/石墨熱電偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之間的氮化硼襯套組成。在惰性氣體和真空中，使用溫度高達(dá)2200℃。在600~2200℃之間，電勢(shì)差與溫度線性關(guān)系良好。

 

其他應(yīng)用

由于B4C對(duì)鐵水穩(wěn)定，且導(dǎo)熱性好，可以用作機(jī)械工業(yè)連續(xù)鑄模；利用B4C抗強(qiáng)酸腐蝕和抗磨損特性，可用于火箭液體發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的流量變送器軸尖；B4C還是長(zhǎng)壽命陀螺儀中優(yōu)異的氣體軸承材料，而在飛機(jī)、艦船、航天橋飛行器等運(yùn)載體的慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺儀是極其重要的敏感器。

 

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延伸閱讀：

1. 碳化硼陶瓷
2. 碳化硼陶瓷的制備
3. 碳化硼陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈全景圖2019