基于超细粉体的陶瓷结构设计及高性能无压烧结碳化硼的制备

无压烧结碳化硼密度低、性能差，难以替代热压碳化硼；此问题严重阻碍了该陶瓷的应用。本项目认为影响碳化硼无压烧结的两个主要因素是：1，碳化硼超细粉难以制备；2，传统的结构设计偏重成分结构而忽视致密化烧结过程控制。因此提出，详细考察以超细粉为原料的碳化硼致密化机制、晶粒粗化及材料破坏机制，进行材料设计以促进致密化、抑制粗化、提高韧性、阻止相变分解，提高性能。具体方案是采用超细过渡金属化合物等作为助剂，利用其发生固相反应的热力学与动力学优势，在较低温度下实现活性烧结；利用超细助剂本身及其反应产物抑制晶粒长大、促进致密化、实现微结构调控，获得高致密、高性能的无压烧结碳化硼。该材料将具有与常规热压烧结碳化硼性能相近甚至更优的的性能，在防弹材料、耐磨材料及核电站等领域得到应用。本项目以超细粉碎技术为基础，已制得D50<0.3微米的碳化硼粉等，得到密度97.5%RD的碳化硼陶瓷，方案可行性得到初步验证。

在碳化硼复相陶瓷无压烧结、复相结构设计等方面做了较为全面的探索，取得较为显著的进展，项目取得的成果在防弹材料及核材料领域获得应用。.（1）单相碳化硼陶瓷：研究少量烧结助剂对高纯、超细碳化硼原料制备单相碳化硼陶瓷的影响，考察了氧化铝、碳化硅、及过渡金属碳化物和硼化物等对于烧结致密化的作用。发现了它们对晶粒生长具有不同和促进和抑制作用，研究了多种元素在碳化硼晶粒中的不同的溶解特性，发现了控制碳化硼晶粒间界面结合强度的控制方法。制备出了相对密度98%以上，强度达400MPa以上的无压烧结碳化硼陶瓷；.（2）复相碳化硼材料的设计和致密化：研究硼化锆、硼化钛、硼化钒、硼化铬及其它多种物碳化硼质与碳化硼组成的复相陶瓷，发现了通过相界面性能调调控第二相分布于碳化硼晶粒内部或晶粒之间的方法，并获得硬度、强度及韧性均明显提高的碳化硼陶瓷材料；.（3）防弹测试获得好成绩：在总后军需所进行无压烧结碳化硼防弹衣测试，结果表明8.5mm复相无压烧结可以通过4级防弹衣测试，实验结果受到马天主任等军方领导的重视；在烟台的兵器52所靶场对10mm 复相碳化硼陶瓷板进行12.7mm穿燃弹靶试，结果表明，碳化硼复相陶瓷的防护能力大大高于普通碳化硼陶瓷。当前正与相关单位合作，在此基础上开发新型防弹衣及直升机装甲材料。.（4）碳化硼-氧化铝复相陶瓷及应用：研究了碳化硼-氧化铝复相陶瓷的制备及耐磨性能。2015年底，针对“AP1000核电站国产化重大专项”在解决“碳化硼-氧化铝芯块”材料制备中遇到的困难，承接并完成“碳化硼-氧化铝芯块研制”任务，为该材料的国产化起到关键作用。.（5）化学法制备高纯碳化硼及应用：为研究微量金属杂质对碳化硼的影响，开发了高纯碳化硼合成技术。针对核领域的需求，将其用于高纯碳化硼-10的制备，为原子能科学研究院制备了碳化硼-10控制棒材料。2015年底，针对“AP1000核电站国产化重大专项”在硼-10化锆陶瓷制备中遇到的困难，承接并完成“硼-10化锆靶材研制”任务，在高纯碳化硼技术基础上发展为硼-10化锆制备技术，在硼-10化锆的国产化研究中起到关键作用。后来，应“中核北方核燃料有限公司”的约请，代表我所参加“先进核反应堆”国家重大专项“硼化锆靶材工程化制备及相关组件研制”项目，我方2016-2017年任务经费约900万元。.