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碳化硼是一種新型非氧化陶瓷材料,因其具有熔點(diǎn)高、硬度高、密度低、熱穩(wěn)定性好,抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)和中子吸收能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于能源、軍事、核能以及防彈領(lǐng)域。碳化硼又稱(chēng)黑鉆石,是僅次于金剛石和立方氮化硼的第三硬材料,故成為超硬材料家族中的重要成員。
目前碳化硼防彈材料主要通過(guò)燒結(jié)法制備,不過(guò)碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的陶瓷材料,共價(jià)鍵占90%以上,而且碳化硼的塑性差,品界移動(dòng)阻力很大,固態(tài)時(shí)表面張力很小,從而決定了碳化硼是一種極難燒結(jié)的陶瓷材料。純碳化硼在燒結(jié)過(guò)程中通常存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)后所得陶瓷致密度低,斷裂韌性較差等問(wèn)題。工業(yè)上一般采用無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等技術(shù),通過(guò)改進(jìn)燒結(jié)工藝、添加燒結(jié)助劑提高碳化硼的力學(xué)性能,為進(jìn)一步研究碳化硼的燒結(jié)工藝奠定基礎(chǔ)。
純B4C的無(wú)壓燒結(jié)致密化非常困難,氣孔缺陷和致密度是影響碳化硼陶瓷性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。而燒結(jié)溫度和粉末粒度是影響碳化硼陶瓷致密度的重要指標(biāo)。研究表明,純碳化硼無(wú)壓燒結(jié)致密化最主要的條件是采用低氧含量的粒度≤3μm的超細(xì)粉末且溫度范圍在2250~2350℃。
無(wú)壓燒結(jié)碳化硼制品工藝簡(jiǎn)單、加工成本低,對(duì)燒結(jié)條件沒(méi)有太多要求,可適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品,適合大批量工業(yè)化生產(chǎn),是制備陶瓷常用的燒結(jié)技術(shù)。但由于燒結(jié)溫度高,晶粒容易異常生長(zhǎng),使燒結(jié)過(guò)程難以控制,產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。
熱壓是在高溫條件下改善粉末塑性,具有成型壓力低,變形阻力小,產(chǎn)品密度高,顯微組織優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),因而,降低碳化硼的燒結(jié)溫度可以采用熱壓燒結(jié)工藝。
與單純熱壓相比,將液相燒結(jié)和熱壓燒結(jié)相結(jié)合,燒結(jié)溫度大大降低,致密度相對(duì)提高。
通常熱壓燒結(jié)條件為:真空或惰性氣氛,壓力20~40MPa,溫度2200~2300℃,保溫時(shí)間0.5~2h。碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物,在高溫下燒結(jié)擴(kuò)散速率慢,物質(zhì)流動(dòng)發(fā)生較少,使其致密化過(guò)程非常困難。
為了降低燒結(jié)溫度和表面能,提高碳化硼陶瓷的綜合性能,必須加入添加劑來(lái)促進(jìn)碳化硼的熱壓燒結(jié)。添加劑包括燒結(jié)助劑或第二相反應(yīng)燒結(jié),在高溫高壓條件下,可以促進(jìn)燒結(jié),控制晶粒長(zhǎng)大,提高力學(xué)性能,獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產(chǎn)品。目前加入的添加劑主要包括金屬單質(zhì)(Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr等)、金屬氧化物(Al2O3、TiO2等)、過(guò)渡金屬碳化物(CrC、VC、WC、TiC等)及其他添加劑(AlF3、MgF2、Be2C、Si等)。
熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)是工藝較復(fù)雜,對(duì)設(shè)備要求高,加工成本高且生產(chǎn)效率低,而且只能制備形狀較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。
熱等靜壓燒結(jié)碳化硼,將粉末壓坯成型或裝入包套的粉料放入高壓容器中,無(wú)需燒結(jié)助劑,把惰性氣體作為傳遞壓力的介質(zhì)(如N2、Ar),使粉料受到各向同性的壓力,降低燒結(jié)溫度,可獲得細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)、高彎曲強(qiáng)度和致密度的碳化硼陶瓷材料。
熱等靜壓燒結(jié)的特點(diǎn)是陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)均勻,綜合性能好,設(shè)備費(fèi)用較高,只能加工形狀簡(jiǎn)單的零件。
放電等離子燒結(jié)(SPS)是集等離子活化、電阻加熱和熱壓為一體,具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、晶粒均勻、冷卻迅速、外加壓力、材料致密度高和燒結(jié)氣氛可控等特點(diǎn)的一種新型快速燒結(jié)技術(shù)??梢杂行Ю梅勰﹥?nèi)部的自身發(fā)熱,放電點(diǎn)的彌散分布實(shí)現(xiàn)均勻加熱。
皓越科技自主研發(fā)的大型熱壓裝備,可滿足防彈陶瓷插板生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)要求,鑄就軍工品質(zhì)。
皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售電爐為一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司一直專(zhuān)注于先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料、半導(dǎo)體材料、碳材料和鋰電及新能源材料裝備四大領(lǐng)域,擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)技術(shù),竭誠(chéng)服務(wù)于客戶,提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。
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