近年来，先进陶瓷在军事舞台可谓是大放光彩。凭借着高比刚度、高比强度以及在许多环境下呈化学惰性，先进陶瓷制成的防护装甲具有抗侵入能力强，轻便性和舒适度高等特点，因此成为装甲系统中必不可少的一部分。

目前，防弹陶瓷材料主要有碳化硼(B₄C)、碳化硅(SiC)和氧化铝(Al₂O₃)三种，其中碳化硼是自然界中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔点、高模量、比重小、自润滑性好、耐磨、耐酸碱腐蚀、耐辐射、吸收中子等特点，是一种综合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端防弹装甲材料、高端液气密封材料、航天航空发动机喷头、高端陶瓷轴承、研磨介质、硬质材料的抛光和精研磨料等方面具有重要应用。另外，碳化硼陶瓷在核电反应堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，是一种重要的国家战略物资。

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由于重量最轻，比模量高，弹道性能好，碳化硼被认为是综合性能最好的防弹陶瓷材料。但它的制备并不容易，因为碳化硼结构是一种极难烧结陶瓷材料，其共价键达到93.94％，远高于诸如碳化硅（88%）和氮化硅（70%）等，从而使得碳化硼内气孔的消除、晶界和体积扩散需要在2200℃以上充分发生。

一般情况下，普通碳化硼粉末在2250-2300℃无压烧结，只能达到80%-87%的相对密度。因为在如此高温的条件下烧结，晶粒会快速粗化、长大，不利于气孔的排除，并将产生大量的残余气孔使材料的致密性受到影响。目前为了提高碳化硼陶瓷的烧结致密度和性能，更多会采用热压烧结法，但这种工艺成本和价格都十分昂贵，导致热压碳化硼的应用相当有限，多集中在高端防护市场，如直升机、潜艇、冲锋舟和歼击机等装备的防护系统中。

虽然看上去无压烧结法好像不太适用于防弹用碳化硼，但要拓宽碳化硼应用范围，只靠成本高昂的热压烧结法也不现实。因此行业内近年来一直在对无压烧结法进行改良，接下来我们就来一起看看它发展到了哪一步，以及两者更具体的区别在哪。

小知识：致密度与防弹陶瓷性能的关系

防弹插板发挥作用的关键在于阻止弹体透过插板。一般而言有两个途径：一是要将弹体粉碎，使其无法再贯穿插板；二是将弹体偏转，使其前进方向改变。先进陶瓷防弹就是第一种情况。

为了硬扛弹体，防弹陶瓷自身也要硬，但理论硬度高不代表烧结后的陶瓷也能这么硬。据研究，陶瓷的硬度与两个指标有关，陶瓷烧结的致密度和晶粒尺寸。陶瓷致密度越高，陶瓷晶粒越细，陶瓷整体的硬度就越高。因此，保证陶瓷97%以上的高致密度是其作为防弹材料的第一要务。

一、热压烧结法

热压烧结法是指以几乎纯的碳化硼为原料，在高温烧结过程中加载几十兆帕的高压，促进碳化硼烧结致密化的方法。它之所以成为现在碳化硼陶瓷制备的主流方式，是因为在高温的压力作用下，它能将压力的作用和表面能一起作为烧结的驱动力，促使颗粒发生重排和产生塑性流动，导致晶界滑移和应变诱导孪晶、蠕变及体积扩散，因此可以降低烧结温度、提高致密度。

通过热压烧结法制备的碳化硼陶瓷能够在不添加烧结助剂或成型助剂的条件下，就能具有晶粒小、力学和电学性质好、烧结致密度高等特点，总之机械性能优势突出。实验表明，在2150℃下热压烧结10min，碳化硼陶瓷的相对密度达到91.6%，室温杨氏模量292.5GPa，室温泊松比0.16，在0~1000℃内，温度与线膨胀系数成正比，而导热系数降低。

热压碳化硼（来源：景德镇华迅特种陶瓷有限公司）

目前热压烧结法已用于生产高精尖的碳化硼陶瓷制品，如喷嘴、防弹陶瓷、密封材料、核辐射防护用具等。但热压烧结同时也存在许多缺陷，如过程十分复杂，故控制过程的难度也很大；自动化程度低，烧成温度高，产品结构简单，单炉产能低，难以规模化生产，是综合成本最高的一种烧结方式。而且所制产品的所有表面都固结一层石墨纸，需要较大余量的磨加工，尤其对于一些小尺寸、多面体、曲面等形状的产品，磨加工成本极高，这些都会限制碳化硼材料的应用范围。

工艺改进

目前，国内外对改善碳化硼材料的烧结性能，通过采用直接加入TiB₂、SiC、C、Al₂O₃以及金属Al等的方法，提高材料的致密度及性能，使烧结温度降低至1700-1800℃，但这样材料的硬度会降到30Gpa以下，断裂韧性仅为2.5-3.2MPam1/2，且工艺复杂，成本高。

另外，原料粉末也是影响烧结过程的重要因素之一，因此也有学者就粉末粒径对碳化硼陶瓷热压烧结影响进行了研究，结果如下：

杜贤武等采用三种不同粒径的碳化硼粉体热压烧结制备碳化硼陶瓷，发现减小碳化硼粉体的粒径能显著改善热压烧结致密化过程：随着粉体的平均粒径减小，粉体重排时的粘度、烧结初期活化能、致密化的初始温度也都随之降低，而致密化速率和致密度却增大，致密化所需时间也减短。以及减小碳化硼粉体的平均粒径也能显著改善碳化硼陶瓷的显微结构及性能：粉体的平均粒径越小，碳化硼陶瓷的气孔孔径越小、气孔数量越低，显微结构分布也更为均匀，烧结体的性能也越好。

二、无压烧结法

由于烧结过程简单，易于控制，且生产成本低，无压烧结（又称常压烧结）在碳化硼材料生产中也占有重要的一席之地，能在实际生产中对产品进行量产。但无压烧结的缺陷前面也提过，纯碳化硼粉体很难实现致密化。研究证明，要提高致密度就需要含氧量足够低的超细碳化硼粉体（≤3μm ）和大于2350℃的温度。

丁硕等通过一系列的实验，得出了部分无压烧结碳化硼烧结温度及其致密度的对应关系，使用普通粒度的碳化硼粉末，烧成范围控制在2250~2300℃内，制品的致密化程度在80%~87%；烧结温度控制在2450℃，制品的烧结致密度可以达到90%；使用超细粉末，温度控制在2300℃，制品致密度可以达到99.5%。但采用超细粉末、超高温度无压烧结的碳化硼制品生产成本也相对较高，对烧结设备要求也较高，因此也会制约了碳化硼材料的应用与发展。

工艺改进

为了降低无压烧结碳化硼的成本及拓宽其应用范围，随着对碳化硼烧结助剂深入研究，业界发现可通过添加一种或几种烧结助剂，来提高碳化硅的点缺陷或位错密度来以提高晶界和体积扩散的活化作用，从而在稍低的温度下（2000-2200℃）获得较高密度（90-95％），同时碳化硼材料抗弯强度和断裂韧性低、耐冲击性差的缺点也得到了一定程度的弥补。

烧结助剂的种类繁多，主要有以下几类:Y₂O₃、TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等氧化物；Al、Cu、Fe、Si等金属单质；C、TiC、SiC等碳或碳化物；TiB₂、CrB₂等硼化物。研究表明，以Al、Si分别作为烧结助剂，在2050℃、常压烧结180min下对碳化硼粉末进行烧结，得到的复相陶瓷相对密度大于93％，其中含Al碳化硼陶瓷抗弯强度298MPa，含Si碳化硼陶瓷抗弯强度344MPa；添加TiB₂可得到相对密度高且烧结温度低的复合材料，；而要得到力学性能最好的复合材料，最优添加剂是TiC。

王帅等人的研究表明，一定条件下B₄C-TiB₂复合陶瓷的相对密度可达97.2%

但碳化钛和碳化硼粉体成本较高，综合考虑经济因素和产品要求，市场应用范围最广的是Al、Al₂O₃系列添加剂。不同的添加剂具有不同的特点，故无压烧结碳化硼复合材料领域现阶段研究，需将不同添加剂与性能的影响及成本与性能的关系进行研究，以便生产企业针对不同的产品要求。

总的来说，无压烧结法产能高，产品磨加工余量小，烧结温度和产品机械性能在烧结助剂的帮助下也能有所改善，适宜批量生产，综合成本较低，技术突破后已在喷嘴、防弹陶瓷等领域展开应用。

三、扩展资料：反应烧结法

另外提一下，碳化硼其实还有有一种常用烧结方式——反应烧结法。是指将碳化硼和碳首先制备成为素坯，然后在高温下从外部浸渗液态或气态的金属Al、Si等，素坯中的碳与浸渗的金属发生反应，生成金属碳化物，过剩的金属充填陶瓷体孔隙，从而实现陶瓷致密化的烧结方法。该法烧成温度低，能耗低，原料粒度粗大成本低，产能较高，但产品表面残留过剩的金属需要特别处理，液态或气态的金属对窑炉具有破坏性影响。而且陶瓷内部因有大量金属残留，机械性能和耐腐蚀相对较差，目前在防弹陶瓷领域并不常见。

工艺改进

为改进该工艺，有专家发明了一种兼具常压烧结和反应烧结两种烧结工艺优点的常压原位反应两步烧结法，步骤如下。

①第一步烧结：将碳化硼粉、碳粉、金属粉、分散剂、粘接剂和去离子水混合球磨制浆，经喷雾造粒后压制成为素坯，经预烧脱粘，然后在较低的烧结温度下（略高于金属熔点）保温烧结，利用体系内熔融金属的表面张力，实现产品第一步收缩烧结。期间熔融金属与体系中的碳、碳化硼、碳化硼颗粒表面B₂O₃都会发生原位反应。

②第二步烧结：继续提高烧结温度，原位反应生成的金属碳化物、金属硼化物或金属硼碳化合物以及纳米B4C均具有较高的烧结活性，作为烧结助剂与碳化硼颗粒形成固溶体，促进体系进一步收缩烧结，实现致密化，从而制备得到高性能的碳化硼陶瓷。

该法相对于常压烧结法可以大幅度降低原料成本和一定的能耗成本，相对于反应烧结法，产品表面不会产生金属残留从而无需除金属工艺，且显著降低气液态金属对窑炉产生破坏作用。所制碳化硼陶瓷产品性能较反应烧结碳化硼陶瓷性能有大幅度提高，基本达到常压烧结碳化硼的性能水平，因此在喷嘴、密封件、防弹陶瓷等领域能有不错的应用前景。

四、总结

无压烧结碳化硼陶瓷材料是一种大批量生产形状复杂零件的工艺方法，但其对于粉末过于苛刻的条件，烧结温度高且烧结温度范围窄，因此在大批量生产中工艺参数难以控制。不过随着陶瓷烧结助剂的进一步研究，无压烧结技术得到了很大的改善，在防弹陶瓷领域已经获得实用。

而热压烧结由于将外界施加的压力与表面能一同作为碳化硼烧结的驱动力，因此具有降低烧结温度的作用，通过该法制备的热压烧结碳化硼是防弹陶瓷领域的老牌选手，实力不俗，但高昂的成本也限制了它的发展。目前可通过添加烧结助剂的方式降低烧结温度，以及对粉料的控制进一步提升性能。除此之外，也能使用在其基础上利用惰性气体施加压力的热等静压烧结，能够解决其无法显著降低烧结温度以及难以制作复杂零件的痛点。

综合而言，不同的工艺方法不能简单地放在一起进行对比，其产生与发展都与相关行业的进步密不可分，不过通过调整生坯组成及结构，如添加烧结助剂、优化粉末颗粒尺寸等均能使两种烧结方法都更上一层楼。至于更具体的应用性能比较，也欢迎有所涉足的各位在评论区补充或与我们取得联系噢！

 

资料来源：

作者：一生只专注一件事 https://www.bilibili.com/read/cv8206059 出处：bilibili

碳化硼陶瓷烧结制备方法，焦永峰，谢方民，戚明杰，邬国平，杨勇辉。

无压烧结碳化硼材料研究进展，孟凡然，王琨，冯荣。

Shuai Wang, Lamei Li, Shu Yan, Yangyang Deng, Shuaibo Gao, Pengfei Xing,Preparing B4C-SiC-TiB2 composites via reactive pressureless sintering with B4C and TiSi2 as raw materials

 

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