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碳化硼技術(shù)進(jìn)展現狀

發(fā)布時(shí)間 :2023-01-19 瀏覽次數 : 2794

由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和大連金瑪科技產(chǎn)業(yè)有限公承擔的中科院東北振興科技行動(dòng)計劃重點(diǎn)項目“高附加值碳化硼材料產(chǎn)業(yè)化”,主要致力于碳化硼超細粉體和高性能碳化硼陶瓷制品的產(chǎn)業(yè)化,實(shí)現碳化硼超細粉體的規?;a(chǎn)及其應用,突破大尺寸、復雜形狀碳化硼胸板的國外技術(shù)壟斷。目前,該項目已取得較大進(jìn)展,碳化硼粗粉球磨后中位粒徑達1微米左右,開(kāi)發(fā)的膠態(tài)成型結合熱壓燒結技術(shù)制備的大尺寸、雙曲面異型防彈胸板力學(xué)性能優(yōu)異。該項目的實(shí)施可帶動(dòng)我國硼資源的開(kāi)發(fā)力度,促進(jìn)硼產(chǎn)品的提檔升級,加速碳化硼行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,并帶動(dòng)與碳化硼相關(guān)領(lǐng)域如航空、軍工及核工業(yè)等的發(fā)展。

新型碳化硼材料為非金屬,難熔化合物,是硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬人造材料之一。碳化硼陶瓷由于具有質(zhì)量輕、硬度高、耐腐蝕性強、耐磨損、耐沖擊、吸收中子性能等特點(diǎn),在國防軍工、高技術(shù)工業(yè)、核電技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。在軍工領(lǐng)域,碳化硼是當今世界應用最為廣泛的防彈陶瓷材料。目前,日本和美國在高性能碳化硼產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)方面走在世界的前列,高附加值碳化硼產(chǎn)品已經(jīng)裝備在各個(gè)領(lǐng)域,而德國在碳化硼超細粉體的制備方面處于世界領(lǐng)先地位,比較著(zhù)名的有H.C.Starck公司。中國硼資源非常豐富,但受其制備技術(shù)限制,很難獲得高附加值碳化硼粉體及其制品,因此開(kāi)展高附加值碳化硼產(chǎn)業(yè)化研究十分重要。

項目的重要創(chuàng )新點(diǎn)之一是開(kāi)發(fā)出大尺寸、復雜形狀碳化硼陶瓷防彈胸板的制備技術(shù)。該技術(shù)主要采用膠態(tài)成型方法結合熱壓燒結,在碳化硼陶瓷漿料中加入一定量的有機物,通過(guò)控制有機物含量、漿料粘度、成型體含水量等參數工藝制備性能優(yōu)良的碳化硼陶瓷坯體。

      國內在大尺寸、復雜形狀碳化硼陶瓷制品制備方面未見(jiàn)文獻報道。大多數碳化硼生產(chǎn)廠(chǎng)家主要以生產(chǎn)簡(jiǎn)單形狀如噴嘴、噴管、密封環(huán)等低端的陶瓷部件為主,采用的制備方法是熱壓燒結,再對產(chǎn)品進(jìn)行精加工,生產(chǎn)成本較高。幾家規模較大的公司曾嘗試采用傳統方法制備大尺寸、復雜形狀的碳化硼陶瓷制品,均失敗。而國外特別是歐美國家已將碳化硼陶瓷材料用于部隊的裝備,但其制備技術(shù)沒(méi)有文獻報道。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所針對國內在該制備技術(shù)領(lǐng)域的空白進(jìn)行科技攻關(guān)。采用不同的制備方法,經(jīng)過(guò)系統的實(shí)驗,成功地開(kāi)發(fā)出膠態(tài)成型結合熱壓燒結技術(shù),用來(lái)制備性能優(yōu)良的大尺寸、復雜形狀的碳化硼陶瓷防彈材料,填補了國內空白。該技術(shù)制備的碳化硼陶瓷制品性能優(yōu)異,穩定可靠,克服了傳統方法的諸多缺點(diǎn)。

項目的創(chuàng )新點(diǎn)之二是碳化硼超細粉體的制備。主要通過(guò)研究漿料粘度、顆粒的運行軌跡、顆粒之間的作用方式、球磨介質(zhì)及磨球級配和漿料的初始濃度等參數對球磨效率的影響,分析碳化硼粉體球磨過(guò)程中漿料的應力-應變行為,從而獲得滿(mǎn)足國際標準的高附加值超細碳化硼粉體。國內碳化硼生產(chǎn)廠(chǎng)家獲得亞微米級碳化硼陶瓷微粉產(chǎn)率很低,投入成本很高,粉體純度較低,極大地限制了碳化硼材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。國際上僅德國H.C.Starck公司能夠制備出中位粒徑為0.5微米的高純超細的碳化硼粉體并實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。目前,本項目已成功制備出了中位粒徑在1微米的碳化硼微粉,粉體雜質(zhì)含量低,顆粒分布較窄。

中國是硼資源大國,遼寧省是我國硼資源儲藏最多的省份,碳化硼粉體及其陶瓷制品的年生產(chǎn)量都很大,產(chǎn)品主要用于出口。然而受技術(shù)能力的制約,產(chǎn)品檔次低,附加值不高。本項目通過(guò)對大尺寸、復雜形狀碳化硼陶瓷制品及碳化硼超細粉體制備技術(shù)的開(kāi)發(fā),克服了國外的技術(shù)壟斷,縮短了與國外產(chǎn)品的性能差異。通過(guò)開(kāi)展我國碳化硼高端產(chǎn)品制備方法的研究,提高了我國碳化硼產(chǎn)品在國際上的競爭力,增強了碳化硼生產(chǎn)企業(yè)的市場(chǎng)競爭力。

本項目已形成具有自主知識產(chǎn)權的工藝技術(shù),實(shí)施后,將徹底改變國內碳化硼行業(yè)只能生產(chǎn)少量中、低檔碳化硼產(chǎn)品的現狀,對提高碳化硼產(chǎn)品的科技含量和附加值,提高碳化硼行業(yè)的技術(shù)水平,生產(chǎn)高質(zhì)量的高端產(chǎn)品,滿(mǎn)足國內國際市場(chǎng)的需求有重要意義。同時(shí),經(jīng)過(guò)初步估算,該項目每年能為企業(yè)創(chuàng )造千萬(wàn)元以上的利潤。


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