近年來(lái)，先進(jìn)陶瓷在軍事舞臺(tái)可謂是大放光彩。憑借著高比剛度、高比強(qiáng)度以及在許多環(huán)境下呈化學(xué)惰性，先進(jìn)陶瓷制成的防護(hù)裝甲具有抗侵入能力強(qiáng)，輕便性和舒適度高等特點(diǎn)，因此成為裝甲系統(tǒng)中必不可少的一部分。
目前，防彈陶瓷材料主要有碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)和氧化鋁(Al2O3)三種，其中碳化硼是自然界中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔點(diǎn)、高模量、比重小、自潤(rùn)滑性好、耐磨、耐酸堿腐蝕、耐輻射、吸收中子等特點(diǎn)，是一種綜合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端防彈裝甲材料、高端液氣密封材料、航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴頭、高端陶瓷軸承、研磨介質(zhì)、硬質(zhì)材料的拋光和精研磨料等方面具有重要應(yīng)用。另外，碳化硼陶瓷在核電反應(yīng)堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，是一種重要的國(guó)家戰(zhàn)略物資。
SA3B? LEVELIII+型碳化硼小型武器防護(hù)插件，是世界上最輕且最昂貴的III+級(jí)板之一
由于重量最輕，比模量高，彈道性能好，碳化硼被認(rèn)為是綜合性能最好的防彈陶瓷材料。但它的制備并不容易，因?yàn)樘蓟鸾Y(jié)構(gòu)是一種極難燒結(jié)陶瓷材料，其共價(jià)鍵達(dá)到93.94％，遠(yuǎn)高于諸如碳化硅（88%）和氮化硅（70%）等，從而使得碳化硼內(nèi)氣孔的消除、晶界和體積擴(kuò)散需要在2200℃以上充分發(fā)生。
一般情況下，普通碳化硼粉末在2250-2300℃無(wú)壓燒結(jié)，只能達(dá)到80%-87%的相對(duì)密度。因?yàn)樵谌绱烁邷氐臈l件下燒結(jié)，晶粒會(huì)快速粗化、長(zhǎng)大，不利于氣孔的排除，并將產(chǎn)生大量的殘余氣孔使材料的致密性受到影響。目前為了提高碳化硼陶瓷的燒結(jié)致密度和性能，更多會(huì)采用熱壓燒結(jié)法，但這種工藝成本和價(jià)格都十分昂貴，導(dǎo)致熱壓碳化硼的應(yīng)用相當(dāng)有限，多集中在高端防護(hù)市場(chǎng)，如直升機(jī)、潛艇、沖鋒舟和殲擊機(jī)等裝備的防護(hù)系統(tǒng)中。
雖然看上去無(wú)壓燒結(jié)法好像不太適用于防彈用碳化硼，但要拓寬碳化硼應(yīng)用范圍，只靠成本高昂的熱壓燒結(jié)法也不現(xiàn)實(shí)。因此行業(yè)內(nèi)近年來(lái)一直在對(duì)無(wú)壓燒結(jié)法進(jìn)行改良，接下來(lái)我們就來(lái)一起看看它發(fā)展到了哪一步，以及兩者更具體的區(qū)別在哪。
小知識(shí)：致密度與防彈陶瓷性能的關(guān)系
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防彈插板發(fā)揮作用的關(guān)鍵在于阻止彈體透過(guò)插板。一般而言有兩個(gè)途徑：一是要將彈體粉碎，使其無(wú)法再貫穿插板；二是將彈體偏轉(zhuǎn)，使其前進(jìn)方向改變。先進(jìn)陶瓷防彈就是第一種情況。
為了硬扛彈體，防彈陶瓷自身也要硬，但理論硬度高不代表燒結(jié)后的陶瓷也能這么硬。據(jù)研究，陶瓷的硬度與兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)，陶瓷燒結(jié)的致密度和晶粒尺寸。陶瓷致密度越高，陶瓷晶粒越細(xì)，陶瓷整體的硬度就越高。因此，保證陶瓷97%以上的高致密度是其作為防彈材料的第一要?jiǎng)?wù)。
一、熱壓燒結(jié)法
熱壓燒結(jié)法是指以幾乎純的碳化硼為原料，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中加載幾十兆帕的高壓，促進(jìn)碳化硼燒結(jié)致密化的方法。它之所以成為現(xiàn)在碳化硼陶瓷制備的主流方式，是因?yàn)樵诟邷氐膲毫ψ饔孟?，它能將壓力的作用和表面能一起作為燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力，促使顆粒發(fā)生重排和產(chǎn)生塑性流動(dòng)，導(dǎo)致晶界滑移和應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶、蠕變及體積擴(kuò)散，因此可以降低燒結(jié)溫度、提高致密度。
通過(guò)熱壓燒結(jié)法制備的碳化硼陶瓷能夠在不添加燒結(jié)助劑或成型助劑的條件下，就能具有晶粒小、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)好、燒結(jié)致密度高等特點(diǎn)，總之機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)突出。實(shí)驗(yàn)表明，在2150℃下熱壓燒結(jié)10min，碳化硼陶瓷的相對(duì)密度達(dá)到91.6%，室溫楊氏模量292.5GPa，室溫泊松比0.16，在0~1000℃內(nèi)，溫度與線膨脹系數(shù)成正比，而導(dǎo)熱系數(shù)降低。
目前熱壓燒結(jié)法已用于生產(chǎn)高精尖的碳化硼陶瓷制品，如噴嘴、防彈陶瓷、密封材料、核輻射防護(hù)用具等。但熱壓燒結(jié)同時(shí)也存在許多缺陷，如過(guò)程十分復(fù)雜，故控制過(guò)程的難度也很大；自動(dòng)化程度低，燒成溫度高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單爐產(chǎn)能低，難以規(guī)模化生產(chǎn)，是綜合成本最高的一種燒結(jié)方式。而且所制產(chǎn)品的所有表面都固結(jié)一層石墨紙，需要較大余量的磨加工，尤其對(duì)于一些小尺寸、多面體、曲面等形狀的產(chǎn)品，磨加工成本極高，這些都會(huì)限制碳化硼材料的應(yīng)用范圍。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)改善碳化硼材料的燒結(jié)性能，通過(guò)采用直接加入TiB2、SiC、C、Al2O3以及金屬Al等的方法，提高材料的致密度及性能，使燒結(jié)溫度降低至1700-1800℃，但這樣材料的硬度會(huì)降到30Gpa以下，斷裂韌性僅為2.5-3.2MPam1/2，且工藝復(fù)雜，成本高。
另外，原料粉末也是影響燒結(jié)過(guò)程的重要因素之一，因此也有學(xué)者就粉末粒徑對(duì)碳化硼陶瓷熱壓燒結(jié)影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：
杜賢武等采用三種不同粒徑的碳化硼粉體熱壓燒結(jié)制備碳化硼陶瓷，發(fā)現(xiàn)減小碳化硼粉體的粒徑能顯著改善熱壓燒結(jié)致密化過(guò)程：隨著粉體的平均粒徑減小，粉體重排時(shí)的粘度、燒結(jié)初期活化能、致密化的初始溫度也都隨之降低，而致密化速率和致密度卻增大，致密化所需時(shí)間也減短。以及減小碳化硼粉體的平均粒徑也能顯著改善碳化硼陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)及性能：粉體的平均粒徑越小，碳化硼陶瓷的氣孔孔徑越小、氣孔數(shù)量越低，顯微結(jié)構(gòu)分布也更為均勻，燒結(jié)體的性能也越好。
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二、無(wú)壓燒結(jié)法
由于燒結(jié)過(guò)程簡(jiǎn)單，易于控制，且生產(chǎn)成本低，無(wú)壓燒結(jié)（又稱常壓燒結(jié)）在碳化硼材料生產(chǎn)中也占有重要的一席之地，能在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行量產(chǎn)。但無(wú)壓燒結(jié)的缺陷前面也提過(guò)，純碳化硼粉體很難實(shí)現(xiàn)致密化。研究證明，要提高致密度就需要含氧量足夠低的超細(xì)碳化硼粉體（≤3μm）和大于2350℃的溫度。
丁碩等通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，得出了部分無(wú)壓燒結(jié)碳化硼燒結(jié)溫度及其致密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用普通粒度的碳化硼粉末，燒成范圍控制在2250~2300℃內(nèi)，制品的致密化程度在80%~87%；燒結(jié)溫度控制在2450℃，制品的燒結(jié)致密度可以達(dá)到90%；使用超細(xì)粉末，溫度控制在2300℃，制品致密度可以達(dá)到99.5%。但采用超細(xì)粉末、超高溫度無(wú)壓燒結(jié)的碳化硼制品生產(chǎn)成本也相對(duì)較高，對(duì)燒結(jié)設(shè)備要求也較高，因此也會(huì)制約了碳化硼材料的應(yīng)用與發(fā)展。
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工藝改進(jìn)
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為了降低無(wú)壓燒結(jié)碳化硼的成本及拓寬其應(yīng)用范圍，隨著對(duì)碳化硼燒結(jié)助劑深入研究，業(yè)界發(fā)現(xiàn)可通過(guò)添加一種或幾種燒結(jié)助劑，來(lái)提高碳化硅的點(diǎn)缺陷或位錯(cuò)密度來(lái)以提高晶界和體積擴(kuò)散的活化作用，從而在稍低的溫度下（2000-2200℃）獲得較高密度（90-95％），同時(shí)碳化硼材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性低、耐沖擊性差的缺點(diǎn)也得到了一定程度的彌補(bǔ)。
燒結(jié)助劑的種類繁多，主要有以下幾類:Y2O3、TiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物；Al、Cu、Fe、Si等金屬單質(zhì)；C、TiC、SiC等碳或碳化物；TiB2、CrB2等硼化物。研究表明，以Al、Si分別作為燒結(jié)助劑，在2050℃、常壓燒結(jié)180min下對(duì)碳化硼粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到的復(fù)相陶瓷相對(duì)密度大于93％，其中含Al碳化硼陶瓷抗彎強(qiáng)度298MPa，含Si碳化硼陶瓷抗彎強(qiáng)度344MPa；添加TiB2可得到相對(duì)密度高且燒結(jié)溫度低的復(fù)合材料，；而要得到力學(xué)性能最好的復(fù)合材料，最優(yōu)添加劑是TiC。
