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。

添加剂包括烧结助剂或第二相反应烧结，在高温高压条件下，可以促进烧结，控制晶粒长大，提高力学性能，获得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷产品。

目前加入的添加剂主要包括金属单质（Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr等）、金属氧化物（Al2O3、TiO2等）、过渡金属碳化物（CrC、VC、WC、TiC等）及其他添加剂（AlF3、MgF2、Be2C、Si等）。

热压烧结的特点是工艺较复杂，对设备要求高，加工成本高且生产效率低，而且只能制备形状较为简单的产品。

3、热等静压烧结
热等静压烧结碳化硼，将粉末压坯成型或装入包套的粉料放入高压容器中，无需烧结助剂，把惰性气体作为传递压力的介质（如N2、Ar），使粉料受到各向同性的压力，降低烧结温度，可获得细晶显微结构、高弯曲强度和致密度的碳化硼陶瓷材料。

热等静压烧结的特点是陶瓷材料的显微结构均匀，综合性能好，设备费用较高，只能加工形状简单的零件。

4、放电等离子烧结
电等离子烧结（SPS）是集等离子活化、电阻加热和热压为一体，具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、冷却迅速、外加压力、材料致密度高和烧结气氛可控等特点的一种新型快速烧结技术。

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。