碳化硼陶瓷全解(PPT文档)
碳化硼的生产工艺
碳化硼的生产工艺碳化硼是一种重要的无机材料，具有高硬度、高熔点、高热导率、良好的化学稳定性等优良特性，在陶瓷、电子、冶金等领域得到广泛应用。
以下将详细介绍碳化硼的生产工艺。
碳化硼的生产工艺主要有四种方法：热解法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和高温合成法。
1. 热解法：热解法是最早采用的碳化硼生产方法。
该方法是将碳和硼混合后，在高温下进行热解反应。
首先，将所需的碳化硼原料粉末与适量的煤焦粉混合均匀，再放入高温炉中加热。
随着温度的升高，反应开始产生，生成碳化硼。
最后，通过冷却和粉碎等处理，得到所需的碳化硼粉末。
2. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种在气体中加热化学反应来制备碳化硼的方法。
该方法使用反应物来在高温条件下进行表面化学反应，并在表面沉积出碳化硼薄膜。
首先，将硼源和碳源的混合物通过气体输送进入高温反应器，加热至适宜的温度。
在高温下，反应物分解产生碳化硼的气体，然后在基底表面沉积形成碳化硼薄膜。
3. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种将溶胶液转化为凝胶后再进行干燥和热处理得到碳化硼的方法。
首先，将硼酸盐和有机物混合在溶液中，形成可溶性的胶体混悬液。
随后，在适当的温度和湿度条件下，溶胶慢慢凝胶形成凝胶体。
最后，将凝胶体在高温下进行热处理，使其发生热分解反应生成碳化硼。
4. 高温合成法：高温合成法是一种在高温和高压条件下制备碳化硼的方法。
该方法利用高温下碳和硼的反应性增加，进行碳化硼的合成。
首先，将碳和硼的原料混合均匀，放入高温高压反应器中。
然后在高温高压条件下进行反应，而后冷却、卸压和粉碎等处理，最终得到所需的碳化硼产品。
总的来说，碳化硼的生产工艺有热解法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和高温合成法等几种方法。
这些方法各有特点，可应用于不同的生产需求。
随着科技的不断发展，人们对碳化硼生产工艺的研究还在不断深入，相信未来会有更多创新的方法应用于碳化硼的制备。
碳化硼陶瓷的烧结方法研究
碳化硼陶瓷的烧结方法研究作者：何志恒徐浩男焉德超来源：《企业文化·中旬刊》2014年第10期摘要：碳化硼陶瓷具有高硬度、高熔点和低密度的特点，是优异的结构陶瓷。
本文综述了碳化硼陶瓷的粉体制备，着重阐述了5种烧结的方法。
关键词：碳化硼；制备；性能；应用前景1.碳化硼陶瓷概述1.1碳化硼的发展碳化硼化合物是在1858年被发现的。
从上世纪50年代起，人们对碳化硼，尤其是对其结构、性能进行了大量的研究，取得了许多研究成果，推动了碳化硼制备和应用技术的长足发展。
现在碳化硼陶瓷广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、宇航等领域。
1.2碳化硼的性能碳化硼陶瓷是一种仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，这是由其特殊的晶体结构所决定的。
C原子与B原子半径很小，而且是非金属元素，B与C相互很接近，形成强共价键的结合。
这种晶体结构形式决定了碳化硼具有超硬、高熔点（2450℃）、密度低（2.55g/cm3）等一系列的优良物理化学性能。
此外，碳化硼还具有良好的中子吸收能力和抗化学侵蚀能力。
2.碳化硼陶瓷粉体的制备2.1碳管炉、电弧炉碳热还原法该法是将硼酸和碳黑按一定比例在混合器中均匀混合，然后在箱式电炉中焙解，使硼酸脱水，以利碳化。
碳化在碳管炉中进行。
将焙解好的混合料放在碳管炉中，温度控制在2000℃以上进行碳化，基本反应为：2B2O3 + 7C = B4C + 6CO↑；B2O3 + 3CO = 2B + 3CO2↑；4B + C = B4C。
2.2自蔓延高温合成法此法制备碳化硼时多以镁作为助熔剂，故又称镁热法。
镁热法基本反应式为2B2O3 + 5Mg + 2C = B4C + CO↑+ 5MgO，这是一个强烈的放热反应，本法是利用化合物合成时的反应热，使反应进行下去的一种工艺方法。
具有反应温度较低（1273～1473K）、节约能源、反应迅速及容易控制等优点，且生成的碳化硼粉一般不需要破碎处理。
3.碳化硼陶瓷的烧结3.1无压烧结碳化硼是一种共价键很强的化合物，其共价键比例高达93.94%。
SPS反应烧结碳化硼陶瓷
图ｌ＿２碳化硼相图 Ｆ远．１－２ Ｐｈａｓｅ ｇｒａｐｈ ｏｆｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ 和Ｂ１２Ｃ３两相区Ｉ捌１；Ｅｌｌｏｉｔｌ２２’２３１认为，Ｂ４Ｃ相区应从室温～直到熔点（２４５０℃），硼 的溶解度极限为８％。ＥＴｈｅｖｅｎｏｔｌｌ ７】研究了整个相区，给出了比较直观的Ｂ４Ｃ相 图（见图１－２），相图证实了Ｂ－Ｃ二元体系存在均相区，碳含量从８．８％到２０％， 相应的分子式为Ｂ１０５Ｃ到Ｂ４Ｃ。
１３．３０／Ｐ８．３％，从而可得出Ｉ“一４１：
１）当碳化硼含量达到２０％时，主要由Ｃ－Ｂ．Ｃ链和所连接的－ＢｌｌＣ二十面体组成。
２）当碳含量逐步降低时，那么Ｃ．Ｂ．Ｂ链会取代Ｃ－Ｂ－Ｃ链，直到Ｃ．Ｂ－Ｃ链耗尽为
止。
３）当碳含量降低到８．８％时，硼原子取代碳原子，使－ＢｌＩＣ二十面体变为－Ｂｊ２二
十面体，而且在整个区域内，品格中存在填隙原子。
ｇｅｔｔｉｎｇ ｄｉｓａｐｐｅａｒ．
Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ Ｒｉｅｔｖｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔａｋｅｎ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌａｔｔｉｃｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗａｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ．１ｋ Ｂ１３ｃ２ ｓ仇】｜ｃｔｌ鹏 ｆｉｔｔｉｎｇ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ Ｂ４Ｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｈａｓｅｓ ｏｆｍａｔｅｒｉａｌ ａｒｅ Ｂ１３Ｃ２ ａｎｄ Ｂ４Ｃ．
Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｏｆｎｅｗ ｐｈａｓｅ；Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆｃｒｙｓｔａｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ，ＳＰＳ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ，ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
碳化硼陶瓷的烧结与应用新进展
碳化硼陶瓷的烧结与应用新进展发布时间：2021-07-01T16:51:19.603Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷3月7期作者：尹志勇[导读] 碳化硼陶瓷是一种具有优异性能的新型陶瓷材料，本文分析了碳化硼陶瓷的特点，并且对其烧结技术和应用的进展进行了探讨。
尹志勇浙江吉成新材股份有限公司（长沙分公司）湖南省长沙市 410006摘要：碳化硼陶瓷是一种具有优异性能的新型陶瓷材料，本文分析了碳化硼陶瓷的特点，并且对其烧结技术和应用的进展进行了探讨。
关键词：碳化硼陶瓷；烧结技术；应用碳化硼陶瓷是一种新型的陶瓷材料，具有良好的耐磨性和高硬度的特点。
碳化硼中包含碳和硼两种非金属元素，二者在元素周期表上相邻，原子半径接近，因此结合方式和其它间隙化合物不同，由于这一结构特点，碳化硼陶瓷具有高密度、高熔点、超高硬度、耐磨损和耐腐蚀等多方面的特性，碳化硼陶瓷以其优良的性质使其在航空航天、核能、机械、国防和耐磨技术等诸多领域都有重要的应用。
碳化硼陶瓷的性能会受到气孔缺陷和致密度方面的影响，通过改进其烧结工艺，可以有效地提升碳化硼的致密度，从而提高碳化硼陶瓷的性能。
1 碳化硼陶瓷特性碳化硼这一物质具有优异的性能。
其硬度可以达到3000 kg/mm2，在已知的物质中仅次于金刚石和立方氮化硼，是一种超硬材料；碳化硼还具有密度低、弹性模量高、热膨胀系数低、导热率高、化学稳定性好等方面的优点。
在常温条件下，其不和大多数酸碱、无机化合物等反应；此外，和其它陶瓷材料相比，碳化硼具有良好吸收中子的能力。
碳化硼陶瓷共价键分数达到93.94%，远高于碳化硅和氮化硅等结构陶瓷材料，导致其致密化烧结难度非常大，由于这一特点，碳化硼内气孔的消除、晶界和体积扩散的传质机制需在2000℃以上，在这一温度条件下烧结，晶粒会迅速粗化长大，气孔不容易排除，因此会导致大量的残余气孔，影响到材料的致密性，为了达到良好的烧结效果，需要添加有效的添加剂，或者是通过压力烧结的方式进行烧结。
碳化硼陶瓷的军工应用及前沿制备技术
摘要：碳化硼是一种战略材料,因具有高熔点、高硬度、低密度、良好的热稳定性、较强的抗化学侵蚀能力和中子吸收能力等一系列优良性能,已被广泛应用于能源、军事、核能以及防弹领域。
本文主要介绍碳化硼及其铝基陶瓷材料在“军民两用”等领域应用现状和相关制备工艺与性能，并对碳化硼陶瓷材料发展前景进行展望。
关键词：碳化硼；陶瓷；制备技术；工艺方法前言碳化硼是一种新型非氧化物陶瓷材料, 碳化硼陶瓷具有高熔点(2450℃)、高硬度(29.1GPa)、大中子捕获面(600bams)、低密度(2.52g/cm³)、较好的化学惰性、优良的热学和电学性能等。
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。
碳化硼除了大量被用作磨料之外，还可以用于制备各种耐磨零件、热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船上的热电转化装置、防弹装甲、反应堆控制棒与屏蔽材料等。
碳化硼陶瓷在军工上多用于防弹装甲中，其防护系数最高一般为13-14，并且其硬度最高，密度最低，是最理想的装甲陶瓷，虽然其价格昂贵，但在保证性能优越的条件下，以减重为首要前提的装甲系统中碳化硼仍优先选择。
1碳化硼陶瓷在防弹领域的应用防弹材料的科技水平也是国家的军事实力的重要体现。
碳化硼防弹材料已广泛应用在防弹衣、防弹装甲、武装直升机以及警、民用特种车辆等防护领域。
相比于其它防弹材料如金属板防弹材料、高性能纤维复合防弹材料、组合防弹材料等，碳化硼陶瓷因高熔点、高硬度和低密度已成为防弹材料应用领域的理想替代品。
1.1防弹装甲我国防弹陶瓷最早应用于防弹装甲领域。
目前,国内外已工程化应用的装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化铝、硼化钛、氮化硅等。
用于装甲防护的单相陶瓷主要有三种,分别是：氧化铝、碳化硼和碳化硅。
装甲陶瓷材料主要应用于防弹装甲车辆,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。
陶瓷材料课件-PPT
电子绝缘件
氧化锆陶瓷光学导管
陶瓷分类（3）
按成分 分类
氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等） 碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等） 氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等） 新型碳化物陶瓷（C3N4等） 硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等） 复合陶瓷（3Al2O3·2SiO2(莫来石) 等）
普通陶瓷（硅酸盐材料）
玻璃相的作用
玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。
• 将分散的晶相粘结在一起； • 降低烧结温度； • 抑制晶相的晶粒长大 • 填充气孔。
二氧化硅还原法（固-气） 粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。
玻 璃 相 熔 点 低 、 热 稳 定 性 差 ， 在 封接方式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、活化金属封接、激光焊接、固相封接等。
氧化锆固体电解质陶瓷
3SiO2+6C+2N2↔Si3N4+6CO
较低温度下开始软化，导致陶瓷在高 含量过高，颜色变深，还影响电绝缘性。
每个氧原子最多只有被两个[SiO4]所共有； 故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一 般<20~40%。
温下发生蠕变，且其中常有一些金属 （二）长石的熔融特性
有的粘土则呈致密坚硬的块状。
电子绝缘件氧化锆陶瓷光学导管精选ppt10氧化物陶瓷al2o3zro2mgo等碳化物陶瓷sicb4cwc等氮化物陶瓷si3n4tinbn等新型碳化物陶瓷c3n4等硼化物陶瓷tib2zrb2等复合陶瓷3al2o32sio2莫来石等按成分分类普通陶瓷硅酸盐材料特种陶瓷人工合成材料按原料分类陶瓷分类3精选ppt11中国陶瓷技术小专题精选ppt12二陶瓷材料的结构精选ppt13陶瓷材料的结构组成陶瓷材料是多相多晶材料陶瓷结构中同时存在?晶体相晶相?玻璃相?气相各组成相的结构数量形态大小及分布决定了陶瓷的性能
碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用
碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用摘要：碳化硼陶瓷是一种新型功能陶瓷材料，具有硬度高、高温强度大、抗热震性好和抗蚀性强等特点，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。
本文介绍了碳化硼陶瓷的性能、制备方法及在防弹领域的应用进行了探讨。
关键词：碳化硼陶瓷；烧结工艺；防弹领域1引言碳化硼是一种新型功能陶瓷材料，具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损等优良特性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。
碳化硼陶瓷因其具有超高硬度（HV7000）、高温强度（1000℃）和高强度（1800 MPa），同时又具有良好的韧性和抗热震性，被誉为“陶瓷中的钻石”。
因此，对碳化硼陶瓷烧结工艺及其在防弹领域的应用将具有良好的现实意义。
2碳化硼防弹陶瓷的制备方法2.1 无压烧结无压烧结是一种既简便又经济的制备方法，其所需要的主要设备有冷压压制机和烧结炉。
目前，碳化硼陶瓷无压烧结成型工艺主要有灌浆成型工艺、凝胶注模成型工艺、冷等静压成型工艺等。
通过单向挤压的方法，获得了足够加工强度的坯料。
冷等静压可获得致密、受力均匀的毛坯，其性能显著改善，逐渐成为高性能碳化物制品的普适性成形技术。
纯B4C的无压烧结是一种极难实现的材料，其致密化过程中的孔洞缺陷及致密程度是决定材料性能的重要因素。
结果表明，烧结温度、粉体尺寸对致密程度有较大的影响。
粉体材料对碳化硼陶瓷的烧结性有很大的影响。
粉体越细，加热速度越快，对提高致密度越有利。
随着粉体尺寸的减小、比表面积的增大，烧结驱动力增大：提高粉体的表面积、提高烧结温度，使致密性得到提高，致密度达到56%-71%。
迅速的加热有利于获得高的致密性的良好的显微组织，这是由于挤压能够被加热到这样的温度，在微观组织变粗化之前发生致密化。
结果表明，在2250-2350℃的高温下，使用含氧量≤3 m的超细粉，是实现纯碳化硼无压烧结的关键。
1.2 热压烧结热压烧结是在高强石墨模中填充干燥混合均匀的碳化硼粉末，并在加热的同时，对其进行单向加压，从而达到成形与烧结的目的。
碳化硼生产工艺流程和配方
碳化硼生产工艺流程和配方英文回答：Production Process and Formulation of Boron Carbide.Boron carbide is a compound composed of boron and carbon atoms. It is widely used in various industries due to its high hardness, low density, and excellent chemical resistance. In this response, I will provide an overview of the production process and formulation of boron carbide.The production process of boron carbide involves several steps, including raw material preparation, mixing, shaping, and sintering. Let's break down each step:1. Raw Material Preparation:The raw materials used for producing boron carbide are boron oxide (B2O3) and carbon. These materials need to be carefully selected and prepared to ensure the desiredquality of the final product. The boron oxide and carbon are typically mixed in specific ratios based on the desired composition of boron carbide.2. Mixing:Once the raw materials are prepared, they are thoroughly mixed to achieve a homogeneous blend. This can be done through various methods such as ball milling or dry blending. The purpose of mixing is to ensure uniform distribution of boron and carbon throughout the mixture, which will result in a consistent composition of boron carbide.3. Shaping:After the mixing process, the boron carbide mixture is shaped into the desired form. This can be done through techniques like pressing or extrusion. The shaping process involves applying pressure to the mixture to compact itinto a solid mass or to form it into a specific shape, such as pellets or blocks.4. Sintering:The shaped boron carbide is then subjected to high temperatures in a sintering furnace. Sintering is a process that involves heating the material to a temperature below its melting point to induce bonding between the particles. This results in the formation of a dense and solid boron carbide structure. The sintering temperature and duration are carefully controlled to achieve the desired properties of the final product.Formulation of boron carbide involves determining the optimal ratio of boron oxide to carbon to achieve the desired composition and properties. The exact formulation can vary depending on the specific application of boron carbide. For example, in the production of boron carbide ceramics, a typical formulation might consist of approximately 77% boron oxide and 23% carbon.In conclusion, the production process of boron carbide involves raw material preparation, mixing, shaping, andsintering. The formulation of boron carbide determines the ratio of boron oxide to carbon in the mixture. By carefully controlling these factors, manufacturers can produce high-quality boron carbide with the desired properties for various applications.中文回答：碳化硼的生产工艺流程和配方。
碳化硼浸出工艺
碳化硼浸出工艺碳化硼浸出工艺是一种常用于矿石中碳化硼提取的方法。
碳化硼是一种重要的工业材料，具有高硬度、高熔点和良好的导热性能，广泛应用于陶瓷、涂层、切割工具等领域。
以下将详细介绍碳化硼浸出工艺的原理、步骤及其应用。
一、原理碳化硼浸出工艺的原理是利用特定溶剂将矿石中的碳化硼溶解出来。
溶剂的选择是关键，一般常用的溶剂有氢氧化钠溶液、盐酸溶液等。
在适当的温度下，将矿石与溶剂充分接触，通过浸出过程将碳化硼从矿石中分离出来。
二、步骤碳化硼浸出工艺通常包括以下步骤：1. 矿石破碎：将原料矿石破碎成适当的粒度，以增加与溶剂的接触面积。
2. 溶剂选择：根据矿石的性质和浸出要求，选择合适的溶剂。
3. 搅拌浸出：将破碎后的矿石与溶剂进行充分混合，并进行搅拌浸出。
通过搅拌可以加速反应速度，提高浸取效果。
4. 过滤：将浸出液进行过滤，去除固体残渣。
5. 溶液处理：对浸出液进行进一步处理，如中和、浓缩等，以得到纯度更高的碳化硼产物。
6. 结晶：将处理后的溶液进行结晶，通过减少溶剂中的溶质浓度，使溶质从溶液中析出，得到固体碳化硼。
三、应用碳化硼浸出工艺在工业生产中具有广泛的应用。
其中，最常见的应用是用于生产陶瓷材料。
碳化硼陶瓷具有高硬度、抗腐蚀性和优良的导热性能，被广泛应用于高温环境下的耐磨、耐腐蚀部件制造。
此外，碳化硼也可用于涂层材料、切割工具等领域。
值得注意的是，碳化硼浸出工艺在实际应用中需要考虑多个因素，如矿石的性质、溶剂的选择、温度控制等。
合理的工艺参数对于提高浸取效果和产品质量至关重要。
因此，在实际生产中需要对浸出工艺进行优化，以提高碳化硼的产率和纯度。
碳化硼浸出工艺是一种常用的提取碳化硼的方法。
通过合理选择溶剂、控制温度和优化工艺参数，可以高效地从矿石中提取碳化硼，并应用于陶瓷、涂层、切割工具等领域。
在未来的发展中，随着工艺技术的不断进步，碳化硼的提取工艺将变得更加高效和环保。
碳化硼陶瓷参数整理2019.6.3
碳化硼陶瓷参数整理一、物理性能密度：2.52g/cm³熔点：2450℃沸点：3500℃显微硬度：4980kg/mm²显微硬度：55GPa~67GPa莫氏硬度：9.36弹性模量：450GPa抗弯强度：≥400MPa二、碳化硼粉体制备1、硼碳元素直接合成法将纯硼粉和石焦油(或其他碳粉)按化学计量比B/C约为4:1配制，均匀混合，在真空或保护气氛下加热至1700℃~2100℃混合物发生反应生成B4C。
4B+C→B4C。
生产效率低下，不适合工业化生产。
2、硼酐干碳热还原法工业上一般采用碳还原硼酸(或硼酐)的方法制备B4C。
将硼酐或硼酸碳混合均匀，在电弧炉中加热至1700℃~2300℃合成。
2H3BO3→B2O3+3H2O2B2O3+7C→B4C+6CO3、自蔓延高温合成法(SHS)自蔓延高温合成法是利用化合物合成时自身产生的反应热，使反应持续进行下去的一种工艺。
由于采用此法制各碳化硼时以镁作为助熔剂，因而得名“镁热法”。
将碳粉、B2O3和镁粉混合均匀，在1000℃~1200℃按下式进行反应:2B2O3+6Mg+C→B4C+6MgO4、激光诱导化学气相沉积法(LICVD)以含有碳源及硼源的气体(BCl3,B2H6,CHCl3,CH4等)为原料，在激光辐照的条件下，混合气体之间发生反应生成B4C纳米颗粒，经过一定的处理后可以得到具有较高纯度的碳化硼纳米粉。
三、碳化硼陶瓷制备1、常压烧结序号添加剂B4C粒度烧结温度产品性能1碳4wt%时在2150℃和下常压下烧结获得95％的相对密度2Al、Mg或TiB2加5-10wt.％在2150~2250℃致密度达到99%3Al2O3；加3wt.%于2150℃下保温15分钟到理论密度的96％，平均晶粒尺寸约为7μm，4亚微米TiO2(添加量10-30wt.%)和碳粉(添加量1-6wt.%)，粒径为0.63μm的B4C粉1900-2050℃温度下常压烧结，保温1h，致密度达到99%以上的B4C-TiB2复相陶瓷，材料的抗弯强度和断裂韧性分别达到513MPa和 3.71MPa·m1/2B4C的无压烧结可制备形状复杂制品，但往往造成晶粒过度生长且含有3-7Vol.%的气孔率，因此材料的强度和韧性偏低(σf IC≤3MPa·m1/2)。
碳化硼陶瓷制备工艺
碳化硼陶瓷制备工艺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。
1、无压烧结纯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。
2、热压烧结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。
碳化物陶瓷ppt课件.ppt
3) 气相沉积法
气相沉积法可以分为化学气相沉积法(CVD)和物 理气相沉积法(PVD)。根据气相加热方式的不同， 又可分为等离子体CVD法、激光CVD法、热CVD 法等。PVD法主要利用了蒸发－冷凝机理(如电弧 法)；而CVD法则是利用硅的卤化物(SiX)和碳氢化 物(CnHm)及氢气在发生分解的同时，相互反应生 成SiC。这些方法可以制备高纯度的SiC粉末，也 可以得到晶须或者薄膜，其反应通式如下
(2) 硼酐碳热还原法
工业上采用过量碳还原硼酐(或硼酸)的方法合成B4C。将硼酐(或 硼酸)与石油焦或人造石墨混合均匀，在电弧炉或电阻炉中1700～ 2300℃合成，反应式为：
2B2O3 + 7C = B4C + 6CO
4H3BO3 + 7C = B4C + 6H2O + 6CO 将合成得到的B4C粗碎、磨粉、酸洗、水洗，再用沉降法得到不 同粒度的粉料。
SiX＋CnHm H2 SiC＋HX
4) 有机硅前驱体法
将有机金属化合物在真空、氢气或者惰性气氛中在相对较 低的温度下进行热解反应，从而得到相应的制品。合成 SiC的起始材料有聚碳硅烷、聚硅烷和聚碳氧硅烷等。下 式给出了从聚碳硅烷出发制备SiC的整个反应过程：
断裂 500oC
重排 600oC
交联 700oC
7x10-5
20.5
8-9
29.3
WC 立方 2865 15.50 1.2x10-5
9
24.5
各种材料的硬度比较
硬 度
淬水高硬氧碳碳含碳立金
火晶速质化化化钒化方刚
钢
钢合铝钨硅高硼氮石
金
速
碳化硼陶瓷的制备
碳化硼陶瓷的制备1 碳化硼陶瓷的制备方法1.1 碳化硼粉末的合成根据合成碳化硼粉末所采用的反应原理、原料及设备的不同，碳化硼粉末的工业制取方法主要有高温自蔓延合成法（SHS）和碳管炉、电弧炉碳热还原法，近年来还出现了激光化学气相反应法、溶胶－凝胶碳热还原法等。
1.1.1 碳管炉、电弧炉碳热还原法这是合成碳化硼粉末最常用的方法，早在化学计量的B4C被确定（1934年）后不久，电炉生产工业碳化硼的研究即取得成功，碳化硼作为磨料开始在工业上得到应用。
将硼单质或含硼的化合物与碳粉或含碳的化合物均匀混合后放入高温设备，例如碳管炉或电弧炉中，通以保护气体或N2在一定温度下合成碳化硼粉末，基本的化学方程式为：2B2O3(4H3BO3)+7C=B4C+6CO2(g)+6H2O(g)这种方法的优点是：设备结构简单、占地面积小、建成速度快、工艺操作成熟、稳定。
但该法也有较大的缺陷，包括能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重，尤其是合成的原始粉末平均粒径大（20～40μｍ），作为烧结碳化硼的原料还需要大量的破碎处理工序，大大增加了生产成本。
1.1.2 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（SHS）是利用化合物合成时的反应热，使反应进行下去的一种工艺方法。
由前苏联物理化学研究所的MerzhahovG，BorovlnskayaLp发明，并成功制备了多种高纯度的陶瓷粉末，例如B4C、BN等。
由于此法制备碳化硼时多以镁作为助熔剂，故又称镁热法。
与其他方法相比，具有反应温。
度较低（1273～1473K）、节约能源、反应迅速及容易控制等优点，所以合成的碳化硼粉的纯度较高且原始粉末粒度较细（0.1～4μｍ），一般不需要破碎处理，是目前合成碳化硼粉的较佳方法，缺点是反应物中残留的MgO必须通过附加的工艺洗去，且极难彻底除去。
1.1.3 激光诱导化学气相沉积法激光诱导化学气相沉积法（LICVD）是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收而产生热分解或化学反应，经成核生长形成超细粉末。
SPS反应烧结碳化硼陶瓷
这也就是说，在碳化硼均相区内，随着碳原子含量不同，单位晶胞内原子数 也不同。此原子数与碳含量成线性关系ＩＪ ５ｌ：
ｎ＝１５．４７一Ｏ．０１９Ｃ％
（１·１）
武汉理工大学硕士学位论文
图１．１碳化硼（Ｂ４Ｃ）的晶体结构
Ｆｉｇ．１·１ Ｃｒｙｓｔａｌ ＳＵ＇ｌｌｃＨＬｒｅ ｏｆｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ
ｎ为单位晶胞内原子数；ｃ％为碳含量。当碳含量增大时，菱面体单位晶胞 内的原子数随之下降。如：当碳含量为２０％时，可得ｎ＝１５．０８，硼原子数为１２．０６， 碳原子数为３．０２；当碳含量为１３．３％时，ｎ＝１５．２１，硼原子数为１３．１８，碳原子数 为２．０３；当碳含量为８．８％时，ｎ＝１５．３１，硼原子数为１３．９５，碳原子数为１．３５。 因此根据碳原子含量对碳化硼晶体结构的影响。可建立如下模式ｆ１６Ｊ：
１３．３０／Ｐ８．３％，从而可得出Ｉ“一４１：
１）当碳化硼含量达到２０％时，主要由Ｃ－Ｂ．Ｃ链和所连接的－ＢｌｌＣ二十面体组成。
２）当碳含量逐步降低时，那么Ｃ．Ｂ．Ｂ链会取代Ｃ－Ｂ－Ｃ链，直到Ｃ．Ｂ－Ｃ链耗尽为
止。
３）当碳含量降低到８．８％时，硼原子取代碳原子，使－ＢｌＩＣ二十面体变为－Ｂｊ２二
十面体，而且在整个区域内，品格中存在填隙原子。
武汉理工大学 硕士学位论文 SPS反应烧结碳化硼陶瓷 姓名：章嵩 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：张联盟;沈强
20070501
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
论文采用放电等离子烧结（ＳＰＳ）技术，通过硼粉和碳粉的反应烧结制备了碳 化硼陶瓷材料，重点研究了不同ＳＰＳ烧结温度对碳化硼陶瓷的致密度、物相和 显微结构等的影响。当烧结温度为１７∞℃时，材料的相对密度为９０％；烧结温 度提高到１９００℃时，致密度可达９５％，均低于传统烧结方法达到相同致密度时 的烧结温度。
碳化硼陶瓷全解.pptx
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二、碳化硼粉末的制 2.2 硼酐干碳备热还原法
工业上一般采用碳还原硼酸(或硼酐)的方法制备B4C。 将硼酐或硼酸碳混合均匀，在电弧炉中加热至
1700℃~2300℃合成，反应的方程式为:
2H3BO3 → B2O3+3H2O 2B2O3+7C → B4C+6CO 由于硼酸和硼酐分别在低温和高温下有较大的挥发性，
与常压烧结相比，热压烧结的优点在于高温下粉末的塑性 得到改善，变形阻力减小，成形能力得到提高，产品致密度高 ，显微组织优良。但由于碳化硼陶瓷抗热震性能较差，因此需 要缓慢降温，同时由于热压工艺要求较高，只能用来制造形状 简单的制品。
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三、碳化硼陶瓷的制备
3.3 活化烧结
采用化学或物理的措施，使烧结温度降低、烧结过程加快 ，或使烧结体的密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结 。碳化硼中碳含量可以在一个较大的范围内变化((8.8%~20%) ，在一定条件下可以提高碳化硼中碳和硼的扩散能力，导致晶 格崎变，降低位错运动的阻力，使烧结过程得到活化。
一
二
目录
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Contents
四
五
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一、碳化硼简介
1.1 碳化硼到底是什么？
碳硼化合物粉末最初是在1858年作为制备金属硼化物的副 产品被发现的，1883年Joly鉴定了B3C粉末；1894年Moissan确 定了B6C粉末;化学计量的B4C直到1934年才被确定。不久，电炉 生产B4C粉末取得成功。碳化硼为菱面体，品格属于D3d5-R3m 空间点阵，品格常数a=0.519nm c=1.212nm, a=66°18'，其结 构可描述为一立方原胞点阵在空间对角线方向上延伸，在每一 角上形成相当规则的二十面体，目前可被广泛接受的碳化硼模 型是:B11C组成的二十面体和C-B-C链构成的菱面体结构。
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三、碳化硼陶瓷的制备
3.2热压烧结
热压烧结是将粉末装在模腔内，在加热的同时对粉末施加 一定压力的一种烧结方法。热压造成颗粒重排，塑性流动、晶 界滑移、应变诱导孪品晶、蠕变以及后阶段体积扩散与重结晶 相结合等物质迁移机理。热压烧结将压力的影响和表面能一起 作为烧结驱动力，因此通过热压可以降低陶瓷的烧结温度，提 高烧结体的致密度。
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二、碳化硼粉末的制备
2.5 共还原法
这是一种比较新的制各B4C的方法，它是将过量的金 属钠与一定量的BBr3和CCI4;装入铁制试管内，置于反应釜 中，在450℃保温8h后冷却至室温。将产物先后用无水乙醇、 稀盐酸、蒸馏水洗涤并干燥。产物为斜方六面体型B4C粉末， 其平均粒径为 80 μ m,或者为直径约 200 nm、长约 2.5 μ m的棒状微粒。反应式如下:
CCl4+4BBr3+16Na → B4C+4NaCl&#备
常压烧结
热压烧结
碳化硼陶瓷的制备
活化烧结
热等静压烧结
三、碳化硼陶瓷的制备
3.1 常压烧结
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。常压 下进行烧结时，要想获得较高的烧结致密度，条件比较苛刻， 如温度要接近碳化硼的熔点，粉末的比表面积不能低于 5.2m2/g。纯碳化硼材料在常压下于2200℃~2300℃烧结通常 只能获得低于80%的相对密度，而且制品力学性能差，不能 满足实际应用的要求。在2000℃以上，当温度接近碳化硼的 熔点时，晶界和体积扩散是主要烧结机理;在低温条件下， 表面扩散蒸发一再凝聚反应是主要烧结机理。
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一、碳化硼简介
碳化硼是引人注意的陶瓷材料，碳化硼最突出的特点就是 其具有的超常硬度(莫氏硬度9.36,显微硬度达到55GPa~67GPa)， 其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，此外，碳化硼还具有密度 小(2.52g/cm3),熔点高(2450℃)，高温强度高，化学稳定性好 (常温下碳化硼一般不与化学试剂反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢 氟酸一硝酸混合物中有缓慢的侵蚀，是化学性质最稳定的化合 物之一)，良好的中子吸收能力，极好的热电性能(140s·m-1， 室温)，较低的膨胀系数(5.0x10-6K-1)等特点，因此，碳化硼可 以用于制备防弹装甲、切割刀具、特种耐酸碱侵蚀材料、热电 偶以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。此外，由于其具有的良 好性能，也有研究人员开始了碳化硼涂层的研究。
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二、碳化硼粉末的制备
2.4 激光诱导化学气相沉积法(LICVD)
以含有碳源及硼源的气体(BCl3, B2H6, CHCl3,CH4等) 为原料，在激光辐照的条件下，混合气体之间发生反应生成 B4C纳米颗粒，经过一定的处理后可以得到具有较高纯度的 碳化硼纳米粉。
论文报道以铷钇铝石榴石激光作为激光源，C6H6和BCl3 为反应气体，制备出了石墨包覆B4C的纳米粉末，B4C粒度为 14nm~33nm。
4B+C → B4C 本方法可以严格控制B/C，但生产效率低下，不适合工 业化生产。
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二、碳化硼粉末的制备
2.2 硼酐干碳热还原法
工业上一般采用碳还原硼酸(或硼酐)的方法制备B4C。 将硼酐或硼酸碳混合均匀，在电弧炉中加热至1700℃~2300℃
合成，反应的方程式为:
2H3BO3 → B2O3+3H2O 2B2O3+7C → B4C+6CO 由于硼酸和硼酐分别在低温和高温下有较大的挥发性，
与常压烧结相比，热压烧结的优点在于高温下粉末的塑性 得到改善，变形阻力减小，成形能力得到提高，产品致密度高， 显微组织优良。但由于碳化硼陶瓷抗热震性能较差，因此需要 缓慢降温，同时由于热压工艺要求较高，只能用来制造形状简 单的制品。
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三、碳化硼陶瓷的制备
3.3 活化烧结
采用化学或物理的措施，使烧结温度降低、烧结过程加快， 或使烧结体的密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结。 碳化硼中碳含量可以在一个较大的范围内变化((8.8%~20%)，在 一定条件下可以提高碳化硼中碳和硼的扩散能力，导致晶格崎 变，降低位错运动的阻力，使烧结过程得到活化。
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二、碳化硼粉末的制备
硼碳元素直接合成法
碳化硼粉末 的制备
硼酐干碳热还原法 自蔓延高温合成法(SHS) 激光诱导化学气相沉积法
共还原法
二、碳化硼粉末的制备
2.1 硼碳元素直接合成法
根据B-C相图，将纯硼粉和石焦油(或其他碳粉)按化 学计量比B/C约为4:1配制，均匀混合，在真空或保护气氛 下加热至1700 ℃ ~ 2100 ℃混合物发生反应生成B4C。其反 应方程式为:
碳化硼陶瓷制备技术的研究进展
汇报人：王东、冀学洋
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一、碳化硼简介
1.1 碳化硼到底是什么？
碳硼化合物粉末最初是在1858年作为制备金属硼化物的副 产品被发现的，1883年Joly鉴定了B3C粉末；1894年Moissan确 定了B6C粉末;化学计量的B4C直到1934年才被确定。不久，电炉 生产B4C粉末取得成功。碳化硼为菱面体，品格属于D3d5-R3m空 间点阵，品格常数a=0.519nm c=1.212nm, a=66°18'，其结构 可描述为一立方原胞点阵在空间对角线方向上延伸，在每一角 上形成相当规则的二十面体，目前可被广泛接受的碳化硼模型 是:B11C组成的二十面体和C-B-C链构成的菱面体结构。
自蔓延高温合成法是利用化合物合成时自身产生的反应热 ，使反应持续进行下去的一种工艺。由于采用此法制各碳化硼 时以镁作为助熔剂，因而得名“镁热法”。将碳粉、B2O3和镁 粉混合均匀，在1000℃~1200℃按下式进行反应:
2B2O3+6Mg+C → B4C+6MgO 此反应为强烈放热反应，最终产物用硫酸或盐酸酸洗，然 后用热水洗涤，可获得纯度较高且粒度较细(0.1μ m一5μ m)的 B4C粉末。
所以需要加入过量的硼酸和硼酐，才能获得高纯和稳定的碳
化硼粉。
采用电弧熔炼法产量大，由于电弧炉内温度分布不均匀，
因而得到的碳化硼粉末成分波动较大，电弧炉中制得的碳化
硼一般含有较高的硼和碳。
反应也可以在电阻炉中进行，电阻炉温度均匀，控
温准确，可以制得接近化学计量比的B4C粉末。
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二、碳化硼粉末的制备
2.3 自蔓延高温合成法(SHS)