防弹陶瓷碳化硼的介绍
低膨胀陶瓷材料种类概览
低膨胀陶瓷材料种类概览一、氧化物陶瓷材料1.氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷是一种具有极低热膨胀系数的陶瓷材料，常用于制作高精度工具和仪器。
它的高机械强度和化学稳定性使其在高温、高压和腐蚀性环境中表现出色。
2.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷是一种普遍使用的陶瓷材料，具有低膨胀系数、高硬度、高熔点和优异的绝缘性能。
它在电子和化工领域中广泛应用，如制作电子陶瓷基板、细线路板和传感器。
3.氧化锌陶瓷氧化锌陶瓷是一种常见的电子材料，具有良好的电学性能和低热膨胀系数。
它常用于制作热敏电阻、声波器件和气体传感器等。
4.氧化铈陶瓷氧化铈陶瓷是一种稀土陶瓷材料，具有低膨胀系数和良好的热稳定性。
它广泛应用于高温传感器、电容器和电介质材料等。
二、非氧化物陶瓷材料1.碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是一种具有极高硬度和低热膨胀系数的陶瓷材料，常用于高温、高压和耐腐蚀的环境中。
它的优异性能使其成为制造切割工具、油井泵轴承和电子封装材料的理想选择。
2.碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷是一种具有极高硬度和优异耐磨性的陶瓷材料，广泛应用于高温和高速摩擦环境中。
它常用于制作刀具、轴承和磨料等。
3.碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷是一种应力致密化陶瓷材料，具有低膨胀系数和高硬度。
它在高温和低温条件下都能发挥出色的性能，因此广泛应用于航空航天和电子领域。
4.碳化硼氮陶瓷碳化硼氮陶瓷是一种具有低膨胀系数、高硬度和优异耐热性的陶瓷材料。
它广泛应用于制作高温耐磨件、防弹材料和粉末冶金工具等。
综上所述，低膨胀陶瓷材料种类众多，其具有低热膨胀系数、高硬度和优异的耐热性能，可以在各个领域中发挥重要作用。
随着科技的不断进步，人们对低膨胀陶瓷材料的需求将会不断增长，相信未来将会涌现更多创新的低膨胀陶瓷材料。
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。
b4c碳化硼的结构
b4c碳化硼的结构B4C碳化硼的结构碳化硼（B4C）是一种重要的陶瓷材料，具有优异的物理和化学性能。
它由硼和碳两种元素组成，形成了独特的结构。
下面将介绍B4C碳化硼的结构特点以及相关的性质和应用。
1. 结构特点B4C碳化硼的结构是由硼原子和碳原子交替排列而成的。
其晶体结构属于六方晶系，具有类似石墨的层状结构。
每个层中，硼原子和碳原子呈等距离排列，形成了硼碳链。
相邻层之间通过共面的碳原子形成键连接。
这种层状结构使得B4C具有较高的硬度和热导率。
2. 物理性质B4C碳化硼具有极高的硬度，接近于金刚石。
这使得它在磨削和切割工具中得到广泛应用。
此外，B4C还具有较低的密度和良好的热导率，使得它成为高性能散热材料的理想选择。
另外，B4C还具有较高的熔点和热稳定性，能够在高温环境下保持稳定的性能。
3. 化学性质B4C碳化硼具有较高的化学稳定性，能够在大多数非氧化性环境下长时间稳定存在。
它对酸、碱和大部分溶剂都具有很好的抗腐蚀性。
然而，在氧化性环境下，B4C会发生氧化反应，形成BO2和CO2等产物。
因此，在高温和氧化性环境中使用B4C时需要注意其氧化性。
4. 应用领域B4C碳化硼由于其优异的性能在多个领域得到广泛应用。
首先，由于其高硬度和磨削性能，B4C被广泛用于制作磨料和磨具，如砂轮和切削刀具等。
其次，B4C的高热导率使其成为散热材料的理想选择，广泛应用于电子器件、太阳能电池和高功率激光器等领域。
此外，B4C还可以用于核工业中的辐射防护材料和中子吸收材料等。
总结：B4C碳化硼的结构特点决定了其优异的物理和化学性能。
其层状结构使其具有高硬度、良好的热导率和化学稳定性。
这些特点使得B4C在磨削工具、散热材料和辐射防护材料等领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，B4C碳化硼在更多领域的应用将会得到拓展，并为人类带来更多的福利。
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。
碳化硼陶瓷
氧化硼与石墨或石油焦反应的碳热还原法
放热镁热还原法Байду номын сангаас1 000～1 800℃下碳黑和氧化 硼转变为碳化硼 在1 600～1 800℃范围内,硼酸与乙炔碳黑、 1,2-乙基二醇或高纯糖反应的方法
无压烧结 含添加剂的无压烧结 热压、热等静压(HIP)烧结 放电等离子烧结法(SPS) 液相烧结 碳化硼的增韧
研磨剂、耐磨部件和制造坦克防弹装甲
熔点高、超硬度,其硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼 密度小、高温强度高
喷气机叶片用的金属陶瓷材料
很高的热中子吸收能力同位素10B 热电性
作为核反应堆的控制棒,又可作为核反应屏 蔽材料 日本已开发出正常工作温度为2 200℃的碳 化硼热电偶
良好的物理性能和优越的抗化学侵蚀能力
碳化硼陶瓷的断裂韧性很低,KIC<2.2 MPa· m1/2
原子间以牢固的共价键连接,共价键含量高达 93.9%,因而,获得高密度的烧结体非常困难
目前一般的的解决方法：为此,在碳化硼陶瓷烧结 过程中引入各种添加剂,提出了碳化硼基复相陶 瓷的概念.
中子吸收和防辐射材料磨具轴承等耐摩擦器 件 复合装甲材料 半导体工业元件和热电元件 机械密封部件 喷嘴材料
碳化硼陶瓷简介
制备方法
前沿应用 目前存在的的问题
碳化硼陶瓷是最引人注目的非氧化物陶瓷之一, 在民用、宇航和军事领域都得到了重要应用. 碳化硼为菱面体 , 晶格属于 D3d5-R3m 空间点阵 , 晶格常数 a=0.519 nm,c=1.212 nm,α=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
碳化硼反应机理
碳化硼反应机理
碳化硼是一种广泛应用于高科技领域的陶瓷材料，其性质具有高温稳定性、硬度高、耐磨性好等特点。
其制备一般采用碳和硼的高温反应，反应机理十分重要。
碳与硼的高温反应是一个复杂的过程，在不同的条件下会出现不同的反应机理。
在通常的情况下，碳与硼的反应可以分为两个主要的步骤：第一个是碳的部分氧化，第二个是氧化碳与硼的复合反应。
在碳质量分数较高的反应中，反应中碳代表了主要的还原剂。
在反应开始时，碳和硼会直接发生反应，生成不同的碳硼化合物，如B4C 和B13C2。
碳和硼之间的反应由于温度的升高而不断加剧，在高温条件下，碳和硼的反应产生了一种比B4C更加容易形成的新型碳硼化合物——B6C。
在碳含量较低的反应中，气态中的CO和H2会在高温下氧化为CO2和H2O，释放出大量的热能，这种反应被称为燃烧反应。
在此条件下，硼和氧化碳既可以形成B4C，也可以形成B13C2。
这两种化合物的生成取决于反应中碳和硼的摩尔比。
当碳含量较低时，B13C2比B4C更容易形成。
在较高的温度下，碳和硼的反应会被氧化剂影响。
在存在氧化剂的情况下，反应较快且生成较高含量的B4C。
大量的CO2和H2O也会被释放出来。
总之，碳化硼的反应机理是一个复杂的过程，不同的反应条件会导致不同的反应机理。
在制备之前对反应的机理和条件进行研究十分重要，有助于提高产品质量和效率。
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。
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防弹陶瓷碳化硼的介绍
近四五十年来，随着科学技术的发展，原子能、火箭、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫切需要比耐热合金更能承受高温、比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料。
而某些陶瓷因为能满足这些要求，因此，这类陶瓷得到了迅速的发展。
这些新发展起来的陶瓷，无论从原料、工艺或性能上均与传统陶瓷有很大的差异，被称为特种陶瓷。
由于特种陶瓷具有许多独特的性能，潜力很大。
而且制作特种陶瓷的主要原料在地球上储量丰富，价格便宜，容易得到。
近20年来，各主要工业国家都十分注重特种陶瓷的开发和研究，形成世界性的“陶瓷热”，并取得了很大的进展。
所以，特种陶瓷被誉为“万能陶瓷”，是21世纪最有发展前景的重要新材料之一。
碳化硼就是一种有着许多优良性能的重要特种陶瓷。
碳化硼最早是在1858年被发现的，然后英国的Joly于1883年、法国的Moissan于1894年分别制备和认定了B3C、B6C。
化学计量分子式为B4C的化合物直到1934年才被认知。
随后，俄国学者提出了许多不同的碳－硼化合物分子式，但这些分子式未能得到确认。
事实上，由B－C相图可以知道，碳－硼化合物有一个从B4.0C到B10.5C的很宽的均相区，在这个均相区内的物质习惯上通称为碳化硼，从20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。
由于碳化硼具有其它材料不可比拟的优异性能，人们对碳化硼陶瓷的研究深度与力度不断加大，除高纯度、超细碳化硼粉体合成新方法不断涌现外，人们更多地致力于开展先进实用的成型工艺及烧结工艺技术研究，以使碳化硼制品能够在某些高技术领域实用化并进一步工业化生产。
碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度（＞30GPa）是其他材料无可比拟的，故成为超硬材料家族中的重要成员。
在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合（＞90%），具有高熔点（2450℃）、高硬度、高模量、密度小(2.52g/㎝3)、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数（5.0×10-6·K-1）、热电性能（140s ／ｍ，室温），故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。
但由于碳化硼本身具有较低的断裂韧性、过高的烧结温度、抗氧化能力较差、以及对金属的稳定性较差等缺点，限制了其在工业上的进一步应用。
所以国内外的科研工作者对改善碳化硼陶瓷的性能进行了大量研究，并提出了碳化硼复相陶瓷的概念。
如欧洲科学技术委员会早在20世纪80年代制定的几个重要的新材料发展计划（如HILTI计划、COST计划）中，都包括了对碳化硼（基）超硬材料体系的探索和研究。
近年的文献资料表明：由于碳化硼自身的局限性，很难通过工艺优化来大幅度改善其力学性能，但随着超微粉末制备技术的发展和有效烧结助剂的开发，使碳化硼的常规烧结成为可能，碳化硼材料在民用、航和军事领域都得到了重要应用。
目前，用于防弹陶瓷的结构陶瓷主要有氧化铝碳化硅和碳化硼。
其中，碳化硼是防弹性能最优的装甲材料，目前用作飞机装甲材料和特殊用途防护结构。
氧化铝虽然综合防护系数最低，但因其成本最低，所以在护身装甲和装甲车辆方面获得较多的应用。
碳化硅防弹陶瓷无论是防护系数，还是成本都介于二者之间。
因而，降低碳化硼防弹陶瓷材料的成本研究具有很强必要性和广阔的应用前景。