防弹用碳化硼陶瓷：为何行业头部公司都争相参与？

碳化硼陶瓷是新型陶瓷中重要的耐磨损和高硬度结构陶瓷材料。由于硼和碳都为非金属元素，而且原子半径接近，其结合方式不同于一般间隙化合物，因此碳化硼陶瓷具有高熔点、超高硬度、低密度、耐磨损和耐腐蚀等许多独特的优异性能，在国防、核能、航空航天、机械、耐磨损技术等领域，正日益显示出其广阔的发展应用前景。

图。碳化硼特种陶瓷via网络

1 碳化硼陶瓷特性

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/mm²；密度低，仅为2.52g/cm³，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。此外，碳化硼具有很好的化学稳定性，耐酸耐碱耐腐蚀，在常温下不与酸碱及大多数无机化合物液体反应，仅在氢氟酸-硫酸、氢氟酸-硝酸混合液中有缓慢的腐蚀，且与大多数熔融金属不润湿，不发生作用。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。

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。

2 碳化硼陶瓷的应用

如前所述，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。

3.1 防弹装甲领域

由于B4C陶瓷具有轻质、超高硬度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。

图。“拦截者”防弹衣

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。

3.2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制成的研磨钵、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。

3.3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。

3.4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。

3.5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。

3 碳化硼陶瓷的不足之处

随着烧结技术的发展，碳化硼陶瓷的优异性越来越突出，其产品对于现代工艺技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质等工作环境，具有特殊的使用价值，并在许多领域内有潜在的用途。尽管碳化硼陶瓷获得了广泛的应用，但还是存在成本高、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。因此，今后仍需要按照实际使用环境的要求，来调控B4C陶瓷的结构和性能，并且不断完善和发展新的烧结技术，从而不断降低其制造成本，提高其可靠性和强韧性，使碳化硼陶瓷这种优异的工程材料获得更广泛的应用。