高附加值碳化硼粉體及其製品的製備技術創新

摘 要

由中國科學院上海矽酸鹽研究所和大連金瑪科技產業有限公承擔的中科院東北振興科技行動計劃重點項目「高附加值碳化硼材料產業化」，主要致力於碳化硼超細粉體和高性能碳化硼陶瓷製品的產業化，實現碳化硼超細粉體的規模化生產及其應用，突破大尺寸、複雜形狀碳化硼胸板的國外技術壟斷。目前，該項目已取得較大進展，碳化硼粗粉球磨後中位粒徑達1微米左右，開發的膠態成型結合熱壓燒結技術製備的大尺寸、雙曲面異型防彈胸板力學性能優異。該項目的實施可帶動我國硼資源的開發力度，促進硼產品的提檔升級，加速碳化硼行業的產業化進程，並帶動與碳化硼相關領域如航空、軍工及核工業等的發展。

新型碳化硼材料為非金屬，難熔化合物，是硬度僅次於金剛石和立方氮化硼的超硬人造材料之一。碳化硼陶瓷由於具有質量輕、硬度高、耐腐蝕性強、耐磨損、耐衝擊、吸收中子性能等特點，在國防軍工、高技術工業、核電技術等領域具有廣闊的應用前景。在軍工領域，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品的研究和開發方面走在世界的前列，高附加值碳化硼產品已經裝備在各個領域，而德國在碳化硼超細粉體的製備方面處於世界領先地位，比較著名的有H.C.Starck公司。中國硼資源非常豐富，但受其製備技術限制，很難獲得高附加值碳化硼粉體及其製品，因此開展高附加值碳化硼產業化研究十分重要。

項目的重要創新點之一是開發出大尺寸、複雜形狀碳化硼陶瓷防彈胸板的製備技術。該技術主要採用膠態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，通過控制有機物含量、漿料粘度、成型體含水量等參數工藝製備性能優良的碳化硼陶瓷坯體。

國內在大尺寸、複雜形狀碳化硼陶瓷製品製備方面未見文獻報導。大多數碳化硼生產廠家主要以生產簡單形狀如噴嘴、噴管、密封環等低端的陶瓷部件為主，採用的製備方法是熱壓燒結，再對產品進行精加工，生產成本較高。幾家規模較大的公司曾嘗試採用傳統方法製備大尺寸、複雜形狀的碳化硼陶瓷製品，均失敗。而國外特別是歐美國家已將碳化硼陶瓷材料用於部隊的裝備，但其製備技術沒有文獻報導。

中國科學院上海矽酸鹽研究所針對國內在該製備技術領域的空白進行科技攻關。採用不同的製備方法，經過系統的實驗，成功地開發出膠態成型結合熱壓燒結技術，用來製備性能優良的大尺寸、複雜形狀的碳化硼陶瓷防彈材料，填補了國內空白。該技術製備的碳化硼陶瓷製品性能優異，穩定可靠，克服了傳統方法的諸多缺點。

項目的創新點之二是碳化硼超細粉體的製備。主要通過研究漿料粘度、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程中漿料的應力-應變行為，從而獲得滿足國際標準的高附加值超細碳化硼粉體。國內碳化硼生產廠家獲得亞微米級碳化硼陶瓷微粉產率很低，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業化生產。國際上僅德國H.C.Starck公司能夠製備出中位粒徑為0.5微米的高純超細的碳化硼粉體並實現工業化生產。目前，本項目已成功製備出了中位粒徑在1微米的碳化硼微粉，粉體雜質含量低，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製品的年生產量都很大，產品主要用於出口。然而受技術能力的制約，產品檔次低，附加值不高。本項目通過對大尺寸、複雜形狀碳化硼陶瓷製品及碳化硼超細粉體製備技術的開發，克服了國外的技術壟斷，縮短了與國外產品的性能差異。通過開展我國碳化硼高端產品製備方法的研究，提高了我國碳化硼產品在國際上的競爭力，增強了碳化硼生產企業的市場競爭力。

本項目已形成具有自主智慧財產權的工藝技術，實施後，將徹底改變國內碳化硼行業只能生產少量中、低檔碳化硼產品的現狀，對提高碳化硼產品的科技含量和附加值，提高碳化硼行業的技術水平，生產高質量的高端產品，滿足國內國際市場的需求有重要意義。同時，經過初步估算，該項目每年能為企業創造千萬元以上的利潤。