碳化硼具有高硬度、高熔點、低密度、高彈性模量、高中子吸收截面、高熱導率、低熱膨脹系數以及良好的化學穩定性等一系列優異性能。但是，碳化硼密集的共價鍵使得其自擴散系數極低、晶界遷移困難，因而致密化困難、斷裂韌性低(KIC約為2MPa·m1/2)，極大限制了碳化硼的應用范圍。
在不損傷碳化硼硬度的情況下，通過引入不同類型的第二相粒子和多樣的引入方式來優化陶瓷復合結構，是當前實現碳化硼基陶瓷材料強韌化的主要手段。碳化硼陶瓷的燒結工藝主要包括無壓燒結、熱壓燒結以及放電等離子體燒結(SPS)。然而，這些燒結工藝往往存在溫度過高、晶粒粗化、尺寸受限等問題。

近期，武漢科技大學的鄧承繼教授團隊從不同增強、增韌相與碳化硼間的搭配以及引入方式出發，探討了碳化硼陶瓷的強韌化機理與行為，并展望了其多元、多結構體系設計的主要方向。
稀土化合物增強碳化硼陶瓷
引入適宜的燒結助劑可以降低碳化硼陶瓷的燒結溫度，提高相對密度和氧化穩定性，從而防止不必要的晶粒長大。稀土化合物作為致密陶瓷中常用的液相燒結助劑，主要包括Y3Al5O12(YAG)、LaB6、NdB6、PrB6等。

碳化硅增強碳化硼陶瓷材料
SiC擁有著高硬度、高強度、高斷裂韌性、高耐磨性以及低密度等優異特性，并且碳化硼和SiC的熱膨脹系數相近，導致裂紋不沿界面傳播，SiC的韌性高于碳化硼，可以通過穿晶斷裂的方式消耗更多能量，因而被認為是碳化硼的最佳燒結助劑。按照引入形式可分為直接引入SiC、Si單質引入、SiC晶須(SiCw)引入和液態Si或硅合金引入。

過渡金屬硼化物增強碳化硼陶瓷
高硬度、高熔點的過渡金屬硼化物作為增強相，與碳化硼由于熱膨脹系數失配產生殘余應力，導致裂紋偏轉、橋接效應，有助于實現其強韌化；并且硼化物的引入強化了固溶和再結晶過程，提高了碳化硼的燒結活性。向碳化硼中添加適量的氧化物、金屬碳化物，會與其原位反應生成硼化物增強相、較高活性的碳以及亞化學計量的碳化硼1?x，這些反應產物由于晶格常數改變，產生結構缺陷，能進一步活化碳化硼并促進燒結過程。

使用的過渡金屬硼化物主要包括TiB2、CrB2、ReB2。其中，TiB2可以用多種引入方式，如直接引入TiB2、Ti單質引入、TiO2引入、TiC引入。

碳化物/硼化物復合增強碳化硼陶瓷
碳化物、硼化物作為復合增強相引入碳化硼陶瓷體系，通過不同相間彌散強化、裂紋偏轉、微裂紋、裂紋阻礙作用以及多元系統間共晶液相的形成對碳化硼的潤濕作用，可以在促進燒結的同時起到更好的增強、增韌作用。

B4C-SiC-TiB2復合材料中裂紋在拋光表面擴展的BSE圖像(a)和示意圖(b)

復合增強相的種類主要有：TiB2/SiC、SiC/MoB2、ZrB2/ZrC、SiC/CrB2。其中，TiB2/SiC按照引入方式可以采用直接引入SiC/TiC引入、TiSi2引入、Ti/Si單質引入、Ti3SiC2引入。但由于SiC和TiB2之間存在較大的TECs差異，裂紋在SiC-TiB2復合相內沿兩相內邊界發生顯著偏轉，延長了裂紋擴展路徑，消耗更多能量。

由10wt.%硅化物制備的B4C-SiC-CrB2復合材料的TEM圖像

碳化硼、CrB2和SiC的晶界分明、狹窄、清晰，三相具有良好的相容性，在填充孔隙的同時促進顆粒重排和固溶再沉淀，進一步促進致密化，并起到增韌作用，但其硬度略有降低。然而，過度添加鉻硅化物，碳化硼與SiC晶粒在更多的共晶液相中過度生長，會導致抗彎強度降低。并且反應過程中可能生成的六價Cr對環境和人體會造成污染與傷害，含Cr增強相的引入要求十分嚴格。

碳納米管(CNT)增強碳化硼陶瓷
碳納米管(CNT)具備低密度、高強度的特點，在生物活性玻璃陶瓷與各種多晶工程陶瓷中都有普遍應用，對材料的韌性有顯著的提高作用。其增韌機制主要是CNT導致的微裂紋的形成以裂紋尖端應力強度因子的降低和裂紋偏轉、橋接作用。

過渡金屬硼化物增強碳化硼陶瓷
石墨烯納米片(GNPs)常被用于強化脆性多晶陶瓷的微觀結構，提高其斷裂韌性，由于GNPs在燒結初始階段的潤滑作用，它還會加速顆粒重排。相比于碳納米管(CNT)，由于GNPs的二維多層結構使其裂紋橋接增韌效用更明顯，并且更容易分散在陶瓷基體中。采用還原氧化石墨烯(rGO)隨機取向近凈形制造工藝制備壓坯，經過快速致密化燒結可獲得高硬度、高斷裂韌性的碳化硼/rGO復合陶瓷。

金屬相增強碳化硼陶瓷
陶瓷—金屬復合材料界面研究中的主要問題是體系的潤濕性與界面反應，適當的潤濕性導致均勻的分布，導致載荷從基體傳遞到增強體而不會失效。增強碳化硼陶瓷所使用的金屬主要有Al、Cu/Ni、高熵合金(HEAs)。

其中：金屬Al表面的Al?O?薄膜與碳化硼顆粒表面的B?O?層通過液相反應生成B?O?·Al?O?，能夠有效改善界面的潤濕性；Cu、Ni納米粒子能夠包覆在碳化硼粉體表面，并且降低了碳化硼陶瓷的燒結溫度，另外，通過SnCl?敏化處理，Cu/Ni金屬粉體可以將碳化硼顆粒進行良好的包覆；HEA添加劑對碳化硼有良好的潤濕性，能有效降低孔隙率。

結語與展望
通過引入第二相(外加或原位生成)與碳化硼發展復合結構，充分利用兩者優勢，能最大程度實現碳化硼基陶瓷的增強、增韌。稀土化合物、SiC、過渡金屬硼化物、碳納米管、石墨烯以及金屬相以豐富多樣的引入方式，在晶粒細化、位錯吸能、彌散強化、晶須增韌、層狀結構形成包括界面潤濕性改善等多尺度、多維度上實現碳化硼基陶瓷的強韌化。

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碳化硼基陶瓷復合材料在實現補強增韌的同時，過多引入液相燒結助劑由于其本征脆性限制，過多添加會導致玻璃相增多；單一燒結工藝如無壓燒結、熱壓燒結由于燒結溫度高、保溫時間長，會導致晶粒異常長大，均會惡化材料性能。因此，未來實現碳化硼基陶瓷強韌化的研究方向主要集中在以下四個方面：

● 通過更多元化的材料體系設計、復合，充分發揮不同物相之間的優勢，起到互相彌合、補充的作用，在保留碳化硼特性的同時，實現其致密性、韌性短板的補充以及進一步增強。

● 改進燒結助劑引入方式和配比，應綜合考慮碳化硼的輕質特性、孔隙率、增強相的分散、晶粒尺寸等因素。

● 多種燒結工藝與步驟并行以優化其燒結特性，以克服單一燒結工藝的弊端。

● 更多地探索雙相甚至多相引入至碳化硼基體，以進一步協同改善碳化硼陶瓷力學性能。