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    1. 碳化硼陶瓷在國防軍工領域是如何發揮“威力”的?
      發布時間:2020-05-11 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

             碳化硼是一種新型非氧化物陶瓷材料,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而被應用于國防軍工領域,在國民安全的維護中發揮著重要的作用。

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      碳化硼陶瓷的制備


      熱壓燒結


      熱壓燒結由于高溫下的壓力作用,使得顆粒發生重排和產生塑性流動,導致晶界滑移和應變誘導孿晶、蠕變及體積擴散。這些機制的共同作用可獲得高致密度高強度的碳化硼陶瓷。熱壓燒結在惰性氣氛或真空中進行,一般熱壓溫度2200℃~2300℃,壓力20MPa~40MPa,保溫時間0.5h~2h,但碳化硼是共價鍵很強的化合物,無添加的燒結很難得到高致密度、高性能的產品,為了降低碳化硼的燒結溫度及改善碳化硼的性能,必須加入燒結助劑來促進燒結。由于碳化硼抗熱震性較差,因此要緩慢降溫,熱壓燒結只能制備形狀較簡單的制品。


      熱等靜壓燒結


      采用熱等靜壓燒結碳化硼,可無需添加劑而達到致密化,并且獲得細晶顯微結構和高的彎曲強度。熱等靜壓是將惰性氣體如N2、Ar等作為傳遞壓力的介質,將碳化硼粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中,使粉料經受高溫和均衡壓力,降低燒結溫度,避免晶粒長大,可獲得高致密度的碳化硼陶瓷材料。與一般熱壓法相比,它可以使物料收到各同向性的壓力,因而陶瓷的顯微結構均勻,缺點是設備費用較高和待加工工件尺寸收到限制。


      無壓燒結


      純碳化硼無壓燒結致密化困難,影響碳化硼陶瓷致密度的主要因素為燒結溫度與粉末粒度。在常壓下2300℃燒結,其制品的相對密度一般低于80%,且容易出現異常晶粒長大和表面熔化現象。增大碳化硼粉末的比表面積并減小其平均粒度,可在一定程度上提高燒結密度。因此,為了降低燒結溫度、提高碳化硼制品的綜合性能,一般需加入燒結助劑,如單質硼、碳、鋁等來促進碳化硼的燒結。


      放電等離子燒結(SPS)


      近年發展起來的放電等離子燒結(SPS)是一種快速燒結的新工藝,可以實現材料的低溫快速高效燒結。SPS燒結過程中,電極通入脈沖直流大電流時瞬間產生的放電等離子體,使燒結體系內各個顆粒自身均勻地產生焦耳熱使顆粒表面活化。SPS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。另外,SPS可以實現顆粒間的有效放電使其產生局部高溫,顆粒表面局部熔化、表面氧化膜剝落。采用這種新的燒結技術可以在無燒結助劑的情況下,實現碳化硼陶瓷高致密化燒結,而且制品結構均勻、化學成分可控。


      碳化硼陶瓷應用于防彈領域


      碳化硼陶瓷的高熔點、高硬度和低密度使其成為防彈材料應用領域的理想替代品。目前,碳化硼防彈材料已廣泛應用在防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機等防護領域。


      防彈衣

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      “攔截者”防彈衣


      目前各國防彈衣根據防彈材料來分,可分為硬質、軟質、軟硬結合式三種形式,其中,硬質防彈衣主要由金屬、陶瓷及其他復合材料構成,因其自身的硬度很高,子彈難以穿透,從而達到防彈的目的。防彈衣被視為人體防護的重要裝備,美國海軍陸戰隊和陸軍第一件用于個人防護的碳化硼防彈衣“攔截者”于20世紀60年代初期研制成功。到2012年,共有6.8萬套“攔截者”防彈衣投入戰場。美國和以色列還生產出了在Kevlar織物中嵌入碳化硼陶瓷芯片的防彈衣。


      防彈裝甲

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      德國的豹式坦克


      裝甲陶瓷材料主要應用于防彈裝甲車輛,用于裝甲防護的單相陶瓷主要有氧化鋁、碳化硼和碳化硅三種,但在實際應用中,通常以復合裝甲的形式出現。裝甲陶瓷材料普遍應用在附加頂、艙蓋、排氣板、炮塔座圈、防彈玻璃、樞軸架等裝甲構件中以及坦克車輛的下車體;還用于制造軀干板、側板、車輛門和駕駛員座椅。在主坦克中,目前德國的豹-Ⅱ,英國的挑戰者系列,以色列的梅卡瓦,美國的艾布拉姆斯,EE-T1奧索里約,前蘇聯的T-72等主戰坦克在其頂部、底部和四周都裝有碳化物陶瓷復合裝甲。


      武裝直升機


      碳化硼陶瓷的特性特別適宜用于武裝直升飛機和其他航空器,改進了傳統的設計,可以起到抵擋來自地面的炮彈襲擊作用。如碳化硼和Kevlar復合裝甲已被廣泛應用在美國黑鷹式直升機乘員座椅;在20世紀60年代,碳化硼陶瓷被裝配到武裝直升機駕駛艙地板,側墻防彈板和飛行員座椅處。


      碳化硼陶瓷應用于核工業領域


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      碳化硼中子吸收體


      中子吸收材料


      在反應堆堆芯組件中,中子吸收材料(控制棒、調節棒、事故棒、安全棒)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,價格低,原料來源豐富,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。


      屏蔽材料


      隨著各種核反應堆的發展,堆屏蔽材料及其他屏蔽系統的要求越來越高,現在的許多屏蔽材料已難以滿足其使用要求,主要表現在屏蔽材料的屏蔽效果與其他性能如力學性能、耐熱性、抗輻照性等難以兼顧。碳化硼材料可以作為核反應的屏蔽材料。相對于純元素B和Cd而言,碳化硼造價低,不產生放射性同位素,二次射線能量低,而且耐腐蝕,熱穩定性好,因而被廣泛應用于核工業。


      參考資料:

      楊亮亮、謝志鵬等.碳化硼陶瓷的燒結與應用新進展

      聶丹、王帥等.碳化硼陶瓷的制備工藝及其應用現狀

      林爽、喬英杰等.碳化硼陶瓷的性能及其在核工業領域的應用進展



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