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。碳化硼作为一种新型非氧化物陶瓷材料，因其具有高熔点、高硬度、低密度、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。碳化硼防弹材料已广泛应用在单兵防弹衣、防弹装甲、武装直升机装甲腹板以及警、民用特种车辆等防护领域。目前碳化硼防弹材料主要通过烧结法制备，纯碳化硼在烧结过程中通常存在致密化所需的烧结温度高、烧结后所得陶瓷致密度低，断裂軔性较差等问题。
碳化硼(B4C)因其优异的性能,如高硬度( ~ 30 GPa)、高熔点(2 450 ℃ )、低密度(2. 52 g / cm 3 )、高耐磨性、耐腐蚀性和中子吸收能力等,被广泛应用于弹道装甲、研磨材料、耐磨部件和核工业。 然而,由于 B4C 陶瓷的烧结性差和固有的低断裂韧性,其应用受到严重限制。碳化硼陶瓷的加工工艺要求高，需要高温高压烧结，且韧性较差，脆性较大，不利于防弹插板的二次使用，影响了陶瓷防弹插板的使用效果，进一步提高了其应用成本，限制了其作为单相防护装甲中的广泛应用。在 B4C 中加入 TiB2 等添加剂可以有效改善 B4C 基陶瓷材料的力学性能。
力学性能分析：纯碳化硼陶瓷样品的密度为 2. 63 g / cm 3 ,相对密度为 99. 3% 。 随着 TiB2和 CNT 的加入,样品的密度呈现上升的趋势,而相对密度则呈现出下降的趋势。 其中,TiB2相的加入会使得陶瓷样品的密度显著增大,样品 BT 和 BTC 的密度分别为 2. 71 g / cm 3和 2. 72 g / cm 3 ,这主要是由于添加相 TiB2的密度为 4. 52 g / cm 3 ,远高于碳化硼陶瓷基体,导致样品的密度增大。 样品 BC 的密度为 2. 64 g / cm 3 ,略高于纯碳化硼陶瓷。 由于增韧相的存在,样品 BT、BC 和 BTC 的相对密度相比于纯碳化硼(99. 3% )均略微下降,分别为 98. 7% ,99. 0% 和 99. 2% 。 样品的气孔率和维氏硬度如图 2 所示,从图中可以看出,随着 TiB2和 CNT 的加入,样品的气孔率有些许增加,维氏硬度降低。 在 LSI 过程中,硅在毛细管力的作用下熔渗到预制件内部的孔隙中,与游离碳和 B4C 基体发生反应,从而获得高致密的复合材料。 由于 TiB2和 CNT 的硬度低于 B4C,因此添加了 TiB2和 CNT 的样品维氏硬度有所下降。 值得注意的是,样品 BTC 的孔隙率(0. 73%± 0. 03% )要低于样品 BC(0. 97%± 0. 08% ) 和 BT(1. 30%± 0. 06% ),略高于纯碳化硼陶瓷(0. 66% ± 0. 04% ),这可能是由于 CNT 的加入抑制了 TiB2的生长[20] ,促进了熔融硅的渗入,使得 BTC 样品更加致密,从而使样品 BTC 的维氏硬度((31. 43 ± 0. 94) GPa) 相比于纯碳化硼陶瓷降低幅度不大。
复合材料样品的弯曲强度和断裂韧性如图 3 所示,与纯碳化硼(弯曲强度为(297 ± 24) MPa,断裂韧性 为(3. 52 ± 0. 32) MPa·m 1 / 2 )相比,样品的弯曲强度和断裂韧性随着 TiB2和 CNT 的加入而增大。 样品 BT 的 弯曲强度和断裂韧性分别为(362 ± 22) MPa 和(4. 06 ± 0. 37) MPa·m 1 / 2 ,样品 BC 的弯曲强度和断裂韧性分 别为(315 ±16) MPa 和(4. 79 ± 0. 45) MPa·m 1 / 2 ,样品 BTC 具有最高的弯曲强度和断裂韧性,分别是(390 ± 18) MPa 和(5. 38 ± 0. 38) MPa·m 1 / 2 ,比纯碳化硼的性能高出了 31% 和 53% 。 这主要是由于 TiB2和 CNT 两 相的叠加作用,使得 BTC 陶瓷获得了更加优异的力学性能。
由于 TiB2的热稳定性,TiB2主要以颗粒的形式存在于样品 BTC 中。 TiB2颗粒均匀地分布在断口表面。 当微裂纹经过 TiB2颗粒时,TiB2颗粒阻碍了微裂纹扩展,迫使裂纹传播途径产生偏转,消耗裂纹扩展的能量,从而提高了样品的断裂韧性。
对陶瓷装甲的研究,是防弹复合材料发展应用的重要内容。陶瓷装甲的弹道防护效果比普通的装甲钢更为优越。当前对被动式装甲反应式装甲的研究和应用最为广泛。在防弹机理上,反应式装甲中装甲材料受到子弹激励后会产生动能,动能反作用于子弹,而被动式装甲通过自身的特性抵御子弹的冲击。如今, 美国、俄罗斯等国家已经使用陶瓷和复合材料研究出重量效率更好的装甲系统,并研制出陶瓷面板装甲,而且已普遍应用。复合材料具有良好的性能,因为它结合了增强材料和基体各自的优点,也是发展最快、最有前途的防弹材料。防弹材料逐渐向多元化和复合化发展,出现了各种具有高硬度和高韧性的新型防弹材料,来应对更加复杂的防护问题。随着装甲系统轻量化、高效化的发展需求,防弹陶瓷与纤维增强防弹复合材料的优越性愈加凸显,新型复合陶瓷防弹板具有传统防弹板不可比拟的优点。
