硼化物陶瓷及其复合材料的性能应用研究

随着高新技术的迅速发展，人们对材料的性能提出了越来越高的要求。硼化物陶瓷作为现代的高技术材料之一，由于具有高熔点、高硬度、高抗氧化性和高耐磨性等性能而作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂、耐磨耐蚀部件，同时这种材料又具有优良的电性能，作为惰性电极材料及高温电工材料而受到了人们的高度重视。近十几年来世界各国都在加紧研究开发硼化物陶瓷及其复合材料，以满足人类在航空航天飞行器、军事等领域的广泛需求，这已成为各国尤其是科技发达的国家的研究热点和重点。

1 二元硼化物陶瓷及其复合材料

硼化物陶瓷是间隙相化合物，B与B之间可能形成多种复杂的共价键，同时，硼又与许多金属原子可以形成离子键。大部分硼化物中包含M-M金属键、B-B共价键、B-M离子键，硼化物的这些特点决定了它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、和高抗腐蚀性。在硼化物陶瓷材料中，ZrB2、TiB2、CrB2等二元硼化物因其性能优异而被认为是最有希望得到广泛应用的硼化物陶瓷，均为六方晶系的准金属结构化合物，其中ZrB2和TiB2陶瓷具有相似的结构。

表1 部分二元硼化物的性能

虽然单相硼化物陶瓷具有较好的性能特征，但由于其烧结性差、常温脆性和较差的抗热冲击性等阻碍了这种材料的广泛应用。经过多年研究，其实用化程度在不断提高，但是与普通的碳化物基硬质合金相比，这类硬质材料的强度与断裂韧性值较低，用作结构材料还存在很多问题。

1.1二元硼化物陶瓷基结构材料研究现状

由于单相硼化物陶瓷具有上述缺点，为此人们通过深入研究发现，在ZrB2、TiB2等硼化物基体中引入其它相，如：SiC、AlN、ZrC、B4C、Al2O3等，组成硼化物陶瓷基复合材料，能在保持材料硬度及高温特性的前提下，有效地提高ZrB2、TiB2等硼化物陶瓷材料的强度和韧性，以弥补其高温抗氧化性不好、强度不高等缺点。研究合适的物质相及其组成比例制备硼化物基结构材料将是以后的主要研究方向。

1.2二元硼化物陶瓷基涂层研究现状

二元硼化物陶瓷的涂层（薄膜）制备基本上是从20世纪70年代开始发展起来的，到今天已经发展了很多种制备涂层的方法，主要有：化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）、脉冲电极沉积（PES）等。

上述方法虽能制备出ZrB2、TiB2等二元硼化物薄膜或涂层，但是存在沉积温度过高、沉积效率低、制备厚膜困难，难以获得均一、稳定的涂层。

热喷涂法作为近年来发展成效巨大的制备涂层方法之一，其主要优点有：

（1）喷涂的基材不受限制；（2）基体温度基本不受影响；（3）能制备出多种功能的涂层；（4）被喷涂工件尺寸和施工场所不受限制；（5）涂层沉积速率较快，涂层厚度可控制等。

热喷涂作为材料表面改性的方法之一，在制备TiB2涂层上具有沉积速度快、厚度大等独特优势，能满足工业应用的需求。

1.3二元硼化物陶瓷及复合材料的应用及发展趋势

二元硼化物陶瓷材料性价比高，具有优异的力学性能和物理化学性能。作为功能材料，CrB2、ZrB2、TiB2等硼化物陶瓷广泛应用于耐磨、耐蚀涂层、中子吸收涂层和自熔性合金中的强化硬质相似及超高温涂层。在钢铁工业上，可用于不锈钢涂层。

ZrB2可以用作熔融金属坩埚、装甲钢板和钢铁工业连续测温的保护管，此外，它作为电子器件可制备在苛刻条件下工作的电导及电触头材料、连铸体中间包两次加热电极和热电偶保护管等。作为结构材料，ZrB2由于具有高熔点、高硬度、良好的电磁性能和高的抗腐蚀性能，可作为耐高温材料、耐腐蚀材料、耐磨材料和超硬材料，如耐腐蚀和磨损的电镀涂层、水下管口和喷嘴材料等。

TiB2由于具有优良的导电导热性和不与铝液及冰晶石反应的特点，可用作铝电解槽的阴极或阴极涂层，并制备大电流电极、导轨、电枢等。TiB2还可用作真空蒸镀金属膜的蒸发舟或容器、集成电路、薄膜电容器、光学器件薄膜、镀铝纸或塑料和玻璃的金属镀膜等。在军事应用方面，由于TiB2具有的高弹性模量，可大量应用于应用盔甲类材料。TiB2具有良好的导电性能、稳定的化学性，可用来制备活泼金属的防杂质扩散层和ASI仪器中的电磁屏蔽及防应力扩散部件。TiB2由于其高硬度和高强度，可用于航空、汽车和工具等行业，制备防弹体、各种耐磨耐蚀的辊道、衬板、阀门、风机、管道、管配件、模具、刀具和喷嘴等；由于其高稳定性，可用于制备超高温耐火材料，如导弹喷嘴及高温引擎部件等。

2 三元硼化物基金属陶瓷材料

20世纪80年代，日本的Toyo kohan公司开发了一种称之为原味反应液相烧结三元硼化物的新工艺，成功地研制了Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三元硼化物基金属陶瓷。它利用了三元硼化物易于金属反应的特性，在烧结过程中形成了与金属基体共存的三元硼化物而消耗掉原料中的二元硼化物。

目前研究最多的三元硼化物基金属陶瓷材料有Mo2FeB2、Mo2NiB2等，人们通过研究其成分、显微组织、烧结机理和性能之间的关系，使材料的性能不断得以改善，其抗弯强度达到2000MPa以上，硬度达到89HRA。其中，Mo2NiB2基金属陶瓷具有高的耐腐蚀性，Mo2FeB2及金属陶瓷具有高的耐磨性。

3 结语

21世纪是复合材料的世纪，硼化物陶瓷及其复合材料以其优异的物理化学特性，在材料领域发挥着非常重要的作用，除以上两种硼化物陶瓷，人们近年来开发研制除了多种新型硼化物陶瓷材料，如：Mo-NiCrBSi类陶瓷是铁基体理想的复合涂覆材料，其涂层具有良好的耐磨减磨性能。目前，对硼化物陶瓷的研究，国外，特别是美国、俄罗斯等进行了大量系统的研究工作，取得了大量硼化物结构和性能方面的研究成果，而日本在硼化物陶瓷的应用开发方面走在世界的前列。我国在这方面的研究工作起步较晚，主要集中在硼化物陶瓷材料的制备、结构、性能等方面。虽然在某些方面也取得了一定的科研成果，但是与国外的先进水平相比，还存在较大的差距。