碳化硼又稱黑(鉆石)，是僅次于金剛石和立方氮化硼的第三硬材料，故成為超硬材料家族中的重要成員。碳化硼作為一種新型非氧化物陶瓷材料，因其具有高熔點、高硬度、低密度、熱穩定性好、抗化學侵蝕能力強和中子吸收能力強等特點而被廣泛應用于能源、軍事、核能以及防彈領域。碳化硼防彈材料已廣泛應用在單兵防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機裝甲腹板以及警、民用特種車輛等防護領域。目前碳化硼防彈材料主要通過燒結法制備，純碳化硼在燒結過程中通常存在致密化所需的燒結溫度高、燒結后所得陶瓷致密度低，斷裂軔性較差等問題。
碳化硼(B4C)因其優異的性能,如高硬度( ~ 30 GPa)、高熔點(2 450 ℃ )、低密度(2. 52 g / cm 3 )、高耐磨性、耐腐蝕性和中子吸收能力等,被廣泛應用于彈道裝甲、研磨材料、耐磨部件和核工業。 然而,由于 B4C 陶瓷的燒結性差和固有的低斷裂韌性,其應用受到嚴重限制。碳化硼陶瓷的加工工藝要求高，需要高溫高壓燒結，且韌性較差，脆性較大，不利于防彈插板的二次使用，影響了陶瓷防彈插板的使用效果，進一步提高了其應用成本，限制了其作為單相防護裝甲中的廣泛應用。在 B4C 中加入 TiB2 等添加劑可以有效改善 B4C 基陶瓷材料的力學性能。
力學性能分析：純碳化硼陶瓷樣品的密度為 2. 63 g / cm 3 ,相對密度為 99. 3% 。 隨著 TiB2和 CNT 的加入,樣品的密度呈現上升的趨勢,而相對密度則呈現出下降的趨勢。 其中,TiB2相的加入會使得陶瓷樣品的密度顯著增大,樣品 BT 和 BTC 的密度分別為 2. 71 g / cm 3和 2. 72 g / cm 3 ,這主要是由于添加相 TiB2的密度為 4. 52 g / cm 3 ,遠高于碳化硼陶瓷基體,導致樣品的密度增大。 樣品 BC 的密度為 2. 64 g / cm 3 ,略高于純碳化硼陶瓷。 由于增韌相的存在,樣品 BT、BC 和 BTC 的相對密度相比于純碳化硼(99. 3% )均略微下降,分別為 98. 7% ,99. 0% 和 99. 2% 。 樣品的氣孔率和維氏硬度如圖 2 所示,從圖中可以看出,隨著 TiB2和 CNT 的加入,樣品的氣孔率有些許增加,維氏硬度降低。 在 LSI 過程中,硅在毛細管力的作用下熔滲到預制件內部的孔隙中,與游離碳和 B4C 基體發生反應,從而獲得高致密的復合材料。 由于 TiB2和 CNT 的硬度低于 B4C,因此添加了 TiB2和 CNT 的樣品維氏硬度有所下降。 值得注意的是,樣品 BTC 的孔隙率(0. 73%± 0. 03% )要低于樣品 BC(0. 97%± 0. 08% ) 和 BT(1. 30%± 0. 06% ),略高于純碳化硼陶瓷(0. 66% ± 0. 04% ),這可能是由于 CNT 的加入抑制了 TiB2的生長[20] ,促進了熔融硅的滲入,使得 BTC 樣品更加致密,從而使樣品 BTC 的維氏硬度((31. 43 ± 0. 94) GPa) 相比于純碳化硼陶瓷降低幅度不大。
復合材料樣品的彎曲強度和斷裂韌性如圖 3 所示,與純碳化硼(彎曲強度為(297 ± 24) MPa,斷裂韌性 為(3. 52 ± 0. 32) MPa·m 1 / 2 )相比,樣品的彎曲強度和斷裂韌性隨著 TiB2和 CNT 的加入而增大。 樣品 BT 的 彎曲強度和斷裂韌性分別為(362 ± 22) MPa 和(4. 06 ± 0. 37) MPa·m 1 / 2 ,樣品 BC 的彎曲強度和斷裂韌性分 別為(315 ±16) MPa 和(4. 79 ± 0. 45) MPa·m 1 / 2 ,樣品 BTC 具有最高的彎曲強度和斷裂韌性,分別是(390 ± 18) MPa 和(5. 38 ± 0. 38) MPa·m 1 / 2 ,比純碳化硼的性能高出了 31% 和 53% 。 這主要是由于 TiB2和 CNT 兩 相的疊加作用,使得 BTC 陶瓷獲得了更加優異的力學性能。
由于 TiB2的熱穩定性,TiB2主要以顆粒的形式存在于樣品 BTC 中。 TiB2顆粒均勻地分布在斷口表面。 當微裂紋經過 TiB2顆粒時,TiB2顆粒阻礙了微裂紋擴展,迫使裂紋傳播途徑產生偏轉,消耗裂紋擴展的能量,從而提高了樣品的斷裂韌性。
對陶瓷裝甲的研究,是防彈復合材料發展應用的重要內容。陶瓷裝甲的彈道防護效果比普通的裝甲鋼更為優越。當前對被動式裝甲反應式裝甲的研究和應用最為廣泛。在防彈機理上,反應式裝甲中裝甲材料受到子彈激勵后會產生動能,動能反作用于子彈,而被動式裝甲通過自身的特性抵御子彈的沖擊。如今, 美國、俄羅斯等國家已經使用陶瓷和復合材料研究出重量效率更好的裝甲系統,并研制出陶瓷面板裝甲,而且已普遍應用。復合材料具有良好的性能,因為它結合了增強材料和基體各自的優點,也是發展最快、最有前途的防彈材料。防彈材料逐漸向多元化和復合化發展,出現了各種具有高硬度和高韌性的新型防彈材料,來應對更加復雜的防護問題。隨著裝甲系統輕量化、高效化的發展需求,防彈陶瓷與纖維增強防彈復合材料的優越性愈加凸顯,新型復合陶瓷防彈板具有傳統防彈板不可比擬的優點。
