[发明专利]密度和硬度提高的无压烧结且热等静压后处理的B4C

说明书

相关申请

本申请基于并要求申请日为2004年12月20日的美国临时申请 60/638,077(发明名称为DENSITY AND HARDNESS-OPTIMIZED PRESSURELESS SINTERED AND POST-HIPED B₄C)和申请日为 2005年1月27日的美国临时申请60/647,471(发明名称为DENSITY AND HARDNESS OPTIMIZATION OF PRESSURELESS SINTERED AND POST HIJPED B₄C)的优先权，这些申请的公开内容引入本文 作参考。

定义

下文提出的术语“掺混”和所有其语法上的表现形式指为了增强 无压烧结向碳化硼粉末混合物中添加烧结剂；术语“无掺混(undope)” 和所有其语法上的表现形式指从所述粉末混合物中排除烧结剂以避免 由于添加烧结剂引起的不利作用；缩写“HP”和所有其语法上的表现 形式指热压；缩写“HIP”(或者“HIP后处理”)和其语法上的表现形 式指热等静压；缩写“CIP”和所有其语法上的表现形式指冷等静压。

背景技术

碳化硼(本文也称作B₄C)是仅次于金刚石和立方氮化硼的第三最 硬的材料。结合其低的理论密度(2.52g/cm³)，B₄C是用于个人盔甲的 首选材料，典型地以与聚合物衬垫粘结的正面和背面平板的形式，并 且在防弹衣(flack jecket)中用作防弹内衬。由于硼的高中子吸收横截 面，B₄C还用于核屏蔽应用。另外，因其优异的耐磨性，B₄C以颗粒 形式用作研磨剂，并且作为喷嘴材料用于浆料泵送和喷砂处理。

有效的防弹装甲材料必须具有非常高的硬度以及高的断裂韧度。 当高速投射体与防弹材料例如B₄C的表面接触时，压缩激波以半球形 从接触点扩散开来，产生张力和切应力，引起从接触点发散的径向裂 纹。这些切应力优选地在孔和裂缝的位置撕开裂纹。因此，B₄C的防 弹性能随着孔隙率的降低(即烧制相对密度的增大)而改善。

实现接近理论值的密度需要一起热压(gang-hot pressing)(压力下堆 叠的部件)。热压不能成本有效地制造复杂形状。例如，制造适形的防 弹衣部件将需要在热压处理后加工，这是昂贵的并且技术上有困难的。

在无压烧结下复杂形状(包括适形部件)是可能的。根据现有技术， 已经使用添加剂，例如碳、SiC、Al₂O₃、TiB₂、AlF₃和W₂B₅作为无 压烧结中的烧结剂来增加烧结密度。但是，由该试剂引起的其它相常 常对B₄C的机械性能具有有害的影响。

B₄C最为熟知的烧结剂是碳。根据一种现有技术的方法，使用酚 醛树脂作为碳源。来自酚醛树脂的碳分布在B₄C颗粒的周围，并且还 用作压合剂。

使用碳作为烧结剂已经获得高达98％的相对密度。但是，当在无 压烧结中用碳作烧结剂时，产生不希望的其它相和材料例如石墨，它 们对B₄C的机械性能影响不利。

在无烧结剂的情况下无压烧结B₄C是困难的。Schwetz等在US 4,195,066中引用了B₄C在接近熔化温度下无压烧结的研究。但是， 与通过热压制备的材料相比，所得材料在一个研究中具有低的相对密 度，而在另一个研究中具有不良的机械性质。另外，Schwetz等指出 因为该过程需要达到接近B₄C的熔化温度，这对于试样的尺寸稳定性 有害。