特陶之家tetaohome知识点名称：碳化硼陶瓷
关键词：碳化硼,B4C,Boron carbide ceramics
相关概念和介绍：
碳化硼（B4C）具有六角菱形晶格，单位晶胞有12个B原子和3个C原子。为了获得致密的B4C，一般采用热压烧结法来制取。热压烧结的B4C可以达到理论密度的98%，制备时在真空热压炉或普通热压炉中进行，热压温度为2100℃，压力为80~100MPa，保温数分钟，降温时需要保持压力。由于B4C的抗热震性较差，因此降温要缓慢。热压温度不宜过高，到2150℃会出现B4C-C共晶液相，但温度过低，则产品密度低。采用B4C超细粉原料，可以获得密度和硬度均高的碳化硼陶瓷制品。碳化硼陶瓷的一个显著特点是非常坚硬，其显微硬度约为50000MPa（即50GPa），仅次于金刚石（90~ 100GPa）和CBN(80 ~ 90GPa) ，它的研磨效率可达到金刚石的60% ~ 70% ，是SiC的1倍，是刚玉研磨能力的1~ 2倍，它耐酸碱性能好，热膨胀系数小（4.5x 10-6℃），因而它有较好的热稳定性，碳化硼还具有很好的吸收中子能力，这是其它陶瓷材料不具备的，但抗冲击性能差，脆性大。碳化硼在1000℃时能抵抗空气的腐蚀，不过在较高的温度时它在氧化气氛中很容易氧化。碳化硼有高的抗酸性与抗碱性，并且还有不被大多数熔融金属所润湿的性能，且与这些物质接触时有相当高的稳定性。
碳化硼这一化合物最早是在1858年被发现的，但直到1934年，化学计量分子式为B4C的化合物才被提出和认知。碳化硼粉末的工业制取方法主要有高温自蔓延合成法、电弧炉碳热还原法、化学气相反应法、凝胶碳热还原法等。碳化硼是目前已知材料中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高达3000kg/mm；密度低，仅为2.52g/cm，是钢铁的1/3；弹性模量高，为450GPa；熔点高，约为2447℃；其热膨胀系数低，导热率较高。
纯碳化硼的致密化烧结是极其困难的。这是因为其共价键份数达93.94%，高于其他结构陶瓷，如SiC（88%），Si3N4（70%）等。从而使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。例如，普通B4C粉末于2250~2300℃常压烧结，只能达到80%~87%相对密度。在如此高的温度下烧结，晶粒会快速粗化与长大，不利于气孔的排除，将造成大量的残余气孔使材料致密度受限制。因此碳化硼的烧结必须采用有效添加剂或进行压力烧结。
防弹陶瓷的吸能过程大致可分为3个阶段：
初始撞击阶段：弹丸撞击陶瓷表面，使弹头变钝，在陶瓷表面粉碎形成细小且坚硬的碎块区的过程中吸收能量；
侵蚀阶段：变钝的弹丸继续侵蚀碎块区，形成连续的陶瓷碎片层；
变形、裂缝和断裂阶段：最后陶瓷中产生张应力使陶瓷碎裂，随后背板变形，剩余的能量全部由背板材料的变形所吸收。弹丸撞击陶瓷的过程中，弹丸和陶瓷均受到破坏。
防弹陶瓷材料众多，这几种最常用，包括氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化钛等，其中以氧化铝陶瓷(Al2O3)、碳化硅陶瓷(SiC)、碳化硼陶瓷(B4C)应用最广。B4C的密度在几种常用装甲陶瓷中最低，加上弹性模量较高，使其成为军事装甲和空间领域材料方面的良好选择。但同时其对加工工艺的要求也很高，需要高温高压烧结，因而成本也是这3种陶瓷中最高的（是氧化铝的10倍左右），限制了其作为单相防护装甲的广泛应用。
主要缺点：
成本高、断裂韧性低、烧结温度过高（约2300℃）、抗氧化能力较差（在空气中600℃开始氧化，900℃迅速氧化）、对金属的稳定性较差（除Ag、Cu、Sn、Zn等之外几乎与所有金属发生反应形成金属硼化物）、机加工困难等，这些缺点制约了碳化硼陶瓷块体材料的大规模应用。
应用:
碳化硼粉末可直接用来研磨加工宝石、轴承等。利用碳化硼陶瓷其硬度大的特性，可以用作磨料、切削刀具、耐磨零件喷嘴、轴承、车轴等。利用它导热性好，热膨胀系数低、能吸收热中子的特性，可以制造高温热交换器，核反应堆的控制剂。利用它耐酸碱性好的特性，可以制作化学器皿，熔融金属坩埚等。
B4C陶瓷具有低密度（密度低于SiC和Si3N4陶瓷）、高硬度（高于SiC和Si3N4）、高弹性模量、耐腐蚀、耐磨损、良好的中子吸收性能，以及良好的高温半导体特征等，从而在国防、核能和耐磨技术等领域得到广泛应用。
防弹装甲领域
由于B4C陶瓷具有轻质、超高硬和和高弹性模量特性，是防弹背心、防弹头盔和防弹装甲的最佳材料，1960年代就开始应用碳化硼陶瓷作为陶瓷装甲材料。与其它防弹材料（如SiC、Al2O3）相比，B4C陶瓷更轻更硬，特别适宜用于武装直升机和其它航空器作为防弹装甲材料，可有效抵挡炮弹。因此，B4C陶瓷一般只用于某些对防护性能有很高要求的特殊场合，如美军的V22“鱼鹰”旋转翼飞机的机组人员座椅。另外，英军使用的增强型人体护甲（EBA）也采用了碳化硼陶瓷，其可以防御12.7mm钢心穿甲弹。英国BAE系统公司的先进陶瓷分公司生产的碳化硼陶瓷，已用作美军“拦截者”防弹衣。1997年，美国陆军在制造技术计划中确定了陶瓷装甲工艺的研究项目，该项目主要研究如何低成本大量生产“拦截者”防弹衣系统所需的碳化硼（B4C）轻武器防护插板装甲。参加这个项目的单位包括美国海军陆战队、美国陆军士兵与生物化学司令部，专业防务系统公司、Simula矶山公司、Cercom公司、以及CoorsTek公司和Ceradyne公司。到2012年，共有6.8万套“拦截者”防弹衣投入战场。
耐磨技术领域
在耐磨技术与工程领域，利用B4C的高硬度制备的各种喷嘴，用于船体除锈的除砂器喷嘴及高压喷射水切割用喷嘴。B4C喷嘴在严酷使用条件下寿命最长，比Al2O3喷嘴的寿命要提高几十倍，比SiC和WC喷嘴寿命也要长许多，性价比极高，是喷砂加工行业的最佳选择。B4C的优异化学稳定性，使其可用于泥浆和液态研磨机的喷嘴；由B4C制成的研钵、研磨棒及类似研磨装置，是化学分析工作中的首选，因为它可避免研磨过程中带来的磨耗污染。
碳化硼用作其他硬质材料如硬质合金、工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程的研磨材料，取代原来使用的金刚石磨料，可以大大降低研磨过程的成本。例如，碳化硼器件用作气动滑阀、热挤压模、原子能发电厂冷却系统的轴颈轴承；用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀、耐磨损部件。
核能领域
在反应堆堆芯组件中，中子吸收材料（控制棒、调节棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是仅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，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，吸收中子后没有很强的射线二次辐射，从而易于废料处理。因此碳化硼是一种重要的中子吸收材料。
温差电偶
利用B4C的热电性，日本和德国烧结制备出可测2200℃的温差电偶，用于高温的测量与控制。它的高热电性和稳定性使其可长期可靠的使用，对温度进行重复测量。碳化硼/石墨热电偶由石墨管、碳化硼棒以及二者之间的氮化硼衬套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达2200℃。在600~2200℃之间，电势差与温度线性关系良好。
其他应用
由于B4C对铁水稳定，且导热性好，可以用作机械工业连续铸模；利用B4C抗强酸腐蚀和抗磨损特性，可用于火箭液体发动机燃料的流量变送器轴尖；B4C还是长寿命陀螺仪中优异的气体轴承材料，而在飞机、舰船、航天桥飞行器等运载体的惯性导航和惯性制导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器。
信息来源：
（以上信息来源或部分来源于以下文献或网络链接，若有侵权请及时告知以便删除）
延伸阅读：
您好！请登录