摘要：硼化物高溫陶瓷具有高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱性、高硬度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的耐高溫氧化等性能。因此，在航天領(lǐng)域，其被應(yīng)用到火箭噴嘴上，可以耐受1600℃高溫和沖蝕磨損。在航空領(lǐng)域，它可以替代傳統(tǒng)的高溫合金用作渦輪葉片材料。在核工業(yè)領(lǐng)域，其可作為原子反應(yīng)堆的阻擋材料和控制材料。在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，它可用來制作耐高溫氧化的熱電偶保護(hù)管，也可以替代傳統(tǒng)的石墨，提高坩堝的使用壽命。針對其各種應(yīng)用，硼化物高溫陶瓷制備工藝也有所不同，本文將對硼化物高溫陶瓷制備工藝現(xiàn)狀進(jìn)行解析。

　　高溫陶瓷材料大多數(shù)具有很強(qiáng)的共價鍵，難以燒結(jié)致密化，所以大多數(shù)需要在高溫高壓的環(huán)境下制備。目前，常見的硼化物高溫陶瓷材料的燒結(jié)致密化方法包括：熱壓燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法、放電等離子體燒結(jié)法，另外還有一種無壓燒結(jié)法。

　　粒徑減小可降低燒結(jié)溫度和壓強(qiáng)，但過小則發(fā)生氧化反應(yīng)

　　一般情況下，純硼化物高溫陶瓷制備溫度在2000℃以上，壓強(qiáng)為20~30Mpa，這樣才能實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。后來發(fā)現(xiàn)降低待燒結(jié)顆粒的粒徑，可以在一定范圍內(nèi)降低燒結(jié)溫度和壓強(qiáng)。當(dāng)硼化鋯的平均粒徑減小到2μm，得到完全致密的硼化物陶瓷只需在1900℃，32Mpa的條件下燒結(jié)45min。而如果顆粒粒徑太小，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物阻礙燒結(jié)物質(zhì)擴(kuò)散。

　　另外，通過添加鋁、鉻、鎳等金屬添加劑或者碳化硅等陶瓷添加劑可以降低燒結(jié)溫度，提高致密性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)曾經(jīng)通過這種方式使用熱壓燒結(jié)法制備高性能復(fù)合陶瓷。

　　反應(yīng)燒結(jié)具備燒結(jié)致密化和原位合成的優(yōu)點(diǎn)

　　利用原材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的新產(chǎn)物，同時進(jìn)行燒結(jié)致密化，這個過程就是反應(yīng)燒結(jié)。這樣節(jié)約時間，提高了生產(chǎn)率，但是缺點(diǎn)是反應(yīng)過程不易控制。反應(yīng)燒結(jié)因為同時具備燒結(jié)致密化和原位合成的優(yōu)點(diǎn)，用于制備硼化鋯、硼化鉿和碳化硅高溫復(fù)合陶瓷，反應(yīng)式如下：

　　2Zr+Si+B₄C→2ZrB₂+SiC

　　(2 + x)Hf + (1 - x)Si + B₄C→2HfB₂ + (1 - x)SiC + xHfC

　　一定程度上，原位反應(yīng)燒結(jié)生成的碳化硅降低了燒結(jié)所需的溫度，影響了生成物的微觀結(jié)構(gòu)，平常反應(yīng)燒結(jié)溫度為2100℃，該反應(yīng)燒結(jié)溫度僅為1650 ℃，平常反應(yīng)燒結(jié)的粒徑平均是12μm，現(xiàn)在的晶粒平均直徑為2 μm。

　　放電等離子燒結(jié)工藝出現(xiàn)較晚但應(yīng)用廣泛

　　放電等離子燒結(jié)工藝出現(xiàn)較晚，它首先將金屬或者其他粉末裝入模具內(nèi)，利用通電電極和模沖作用于燒結(jié)粉末，然后經(jīng)過電極活化、高溫變形以及最后的冷卻制得高性能粉末冶金。目前該方法被廣泛應(yīng)用于超高溫陶瓷的致密化燒結(jié)。

　　中科院硅酸鹽所等利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，將Zr、B₄C、Si粉做為起始原料，在1450 ℃、30 MPa的環(huán)境下，制得ZrB₂-SiC復(fù)合材料，相對致密度為98.5%。

　　無壓燒結(jié)比較經(jīng)濟(jì)但是要求變多

　　相對熱壓燒結(jié)，無壓燒結(jié)效率更高而且更加經(jīng)濟(jì)，都可以通過細(xì)化顆粒、添加助劑來促進(jìn)燒結(jié)。以前的研究認(rèn)為單相純硼化物無法在無壓的環(huán)境下完成致密化燒結(jié)，但是國內(nèi)外研究人員通過實(shí)驗，在無壓的情況下制得了致密度不低的復(fù)合陶瓷，但是代價是要添加燒結(jié)助劑才能完成。在最近的研究中，國外研究人員在無壓燒結(jié)的條件下，制備出致密度達(dá)到95%以上的ZrB₂陶瓷。然而，這種燒結(jié)致密化必須同時添加多種助劑如AlN(15wt.%) 、BN(5wt.%)和SiC(5wt.%)才能完成。總之，這種方法對燒結(jié)所需的助劑要求變高。四種硼化物高溫陶瓷材料的燒結(jié)致密化方法優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 硼化物高溫陶瓷材料的燒結(jié)致密化方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

（來源：公開資料整理）

　　結(jié)語

　　硼化物高溫陶瓷具有高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱性、高硬度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的耐高溫氧化等性能。在航空航天和核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，常見的硼化物高溫陶瓷材料的燒結(jié)致密化方法包括：熱壓燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法、放電等離子體燒結(jié)法和無壓燒結(jié)法。熱壓燒結(jié)法粒徑減小可降低燒結(jié)溫度和壓強(qiáng)，但過小則發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)燒結(jié)法具備原位合成和燒結(jié)致密化的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約時間，提高了生產(chǎn)率，但是缺點(diǎn)是反應(yīng)過程不易控制。放電等離子燒結(jié)工藝出現(xiàn)較晚但應(yīng)用廣泛。無壓燒結(jié)相對經(jīng)濟(jì)，但是對助劑的要求變多。