碳化硼是一種有著許多優(yōu)良性能的重要特種陶瓷。碳化硼的硬度在自然界中僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高溫硬度是其他材料無(wú)可比擬的，故成為超硬材料家族中的重要成員。在碳化硼中，硼與碳主要以共價(jià)鍵相結(jié)合，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高模量、密度小、耐磨性好、耐酸堿性強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有良好的中子、氧氣吸收能力、較低的膨脹系數(shù)、熱電性能，故廣泛應(yīng)用于耐火材料、工程陶瓷、核工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域。

目前，用于防彈陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷主要有氧化鋁、碳化硅和碳化硼。其中，碳化硼是防彈性能最優(yōu)的裝甲材料，目前用作飛機(jī)裝甲材料和特殊用途防護(hù)結(jié)構(gòu)。 氧化鋁雖然綜合防護(hù)系數(shù)最低，但因其成本最低，所以在護(hù)身裝甲和裝甲車(chē)輛方面獲得較多的應(yīng)用。碳化硼防彈陶瓷無(wú)論是防護(hù)系數(shù)，還是成本都介于二者之間。 因而，降低碳化硼防彈陶瓷材料的成本研究具有很強(qiáng)必要性和廣闊的應(yīng)用前景。

圖一 碳化硼防彈陶瓷

一、碳化硼陶瓷的制備方法

1、碳化硼粉末的合成

根據(jù)合成碳化硼粉末所采用的反應(yīng)原理、原料及設(shè)備的不同，碳化硼粉末的工業(yè)制取方法主要有高溫自蔓延合成法和碳管爐、電弧爐碳熱還原法，近年來(lái)還出現(xiàn)了激光化學(xué)氣相反應(yīng)法、溶膠- 凝膠碳熱還原法等。

圖二 碳化硼粉末

1.1碳管爐、電弧爐碳熱還原法

這是合成碳化硼粉末最常用的方法，早在化學(xué)計(jì)量的B₄C被確定(1934年)后不久，電爐生產(chǎn)工業(yè)碳化硼的研究即取得成功，碳化硼作為磨料開(kāi)始在工業(yè)上得到應(yīng)用。將硼單質(zhì)或含硼的化合物與碳粉或含碳的化合物均勻混合后放入高溫設(shè)備，例如碳管爐或電弧爐中，通以保護(hù)氣體或N₂在一定溫度下合成碳化硼粉末。

1.2 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法是利用化合物合成時(shí)的反應(yīng)熱，使反應(yīng)進(jìn)行下去的一種工藝方法。由于此法制備碳化硼時(shí)多以鎂作為助熔劑，故又稱鎂熱法。與其他方法相比，具有反應(yīng)溫度較低、節(jié)約能源、反應(yīng)迅速及容易控制等優(yōu)點(diǎn)，所以合成的碳化硼粉的純度較高且原始粉末粒度較細(xì)，一般不需要破碎處理，是目前合成碳化硼粉的較佳方法，缺點(diǎn)是反應(yīng)物中殘留的MgO必須通過(guò)附加的工藝洗去，且極難徹底除去。

1.3 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法

激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收而產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)成核生長(zhǎng)形成超細(xì)粉末。

1.4 溶膠- 凝膠碳熱還原法

溶膠-凝膠法是指無(wú)機(jī)物或金屬醇鹽經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理合成化合物的方法。由于提供硼源的硼化物很難與其他無(wú)機(jī)物或有機(jī)物形成凝膠，故用此法合成碳化硼粉的報(bào)道較少。

2、碳化硼陶瓷材料制備的一般方法

特種陶瓷的主要制備工藝是粉末制備、成型和燒結(jié)。碳化硼的塑性很差，晶界移動(dòng)阻力很大，固態(tài)時(shí)表面張力很小，這一切都是阻礙燒結(jié)的因素。無(wú)任何添加劑的常壓燒結(jié)要想得到較高致密度的產(chǎn)品，要求的條件很苛刻，例如粉末粒度要盡可能小，燒結(jié)溫度高，接近碳化硼的熔點(diǎn)。所以，常壓燒結(jié)通常添加各種燒結(jié)助劑以促進(jìn)燒結(jié)。添加物可以分為金屬和無(wú)機(jī)非金屬兩大類(lèi)。

二、碳化硼防彈陶瓷應(yīng)用前景

目前，氧化鋁基防彈陶瓷已用于“502工程”及“212工程”，但在戰(zhàn)車(chē)車(chē)體側(cè)面等部位采用氧化鋁基陶瓷復(fù)合裝甲時(shí)，其減重效果不明顯，而采用同等厚度的高性能碳化硼陶瓷復(fù)合裝甲則要比氧化鋁基防彈陶瓷質(zhì)量減輕15%～20%，同時(shí)防彈性能進(jìn)一步提高。因此重點(diǎn)裝備工程陶瓷復(fù)合裝甲研制項(xiàng)目對(duì)高性能、低成本碳化硼防彈陶瓷提出了迫切需求。

因而，開(kāi)展高性能、低成本碳化硼防彈陶瓷材料的研制與應(yīng)用，可大大提高相關(guān)武器裝備的使用性能，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。碳化硼防彈陶瓷材應(yīng)用方向?yàn)橹攸c(diǎn)裝備工程、未來(lái)主戰(zhàn)坦克、步兵戰(zhàn)車(chē)、空投空降車(chē)等輕型裝甲車(chē)輛以及武裝直升機(jī)腹板、船艇上層建筑的裝甲防護(hù)。

工業(yè)用碳化硼的強(qiáng)度和韌性比較低，這主要是由于組織粗大、缺陷多、致密度不高所致，通過(guò)提高燒結(jié)密度、細(xì)化晶粒等基本途徑可以明顯地改善強(qiáng)度，但斷裂韌性增加不大，這與單相材料本身的局限性有關(guān)。因此，要想減輕碳化硼的穿晶斷裂的傾向，增加斷裂韌性，走“復(fù)合”之路似乎是最后的選擇。大量研究表明，復(fù)合添加劑可極大地降低燒結(jié)溫度和壓力，在高溫高壓條件下，獲得高致密度的純碳化硼陶瓷，并有優(yōu)異的力學(xué)性能。

粉體圈 谷雨