现代反恐怖、反暴力和现代化战争中,防护装甲可减少人员伤亡、战车损坏,提高胜利几率,因此对防护装甲的研究是尤为必要的。防护装甲总的发展趋势为强韧化、轻量化、多功能和高效率。陶瓷材料具有低密度、高硬度、高耐磨性和高弹性模量等特点,可作为防护材料。陶瓷材料中的TiB2材料具有许多优良性能,如熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐磨性和耐腐蚀性能好,良好的导热和导电性、高弹性模量、相对高的强度和韧性,可用作重型装甲防护材料。本论文采用添加少量纳米TiB2作为成核剂,利用硼/碳热还原法制备亚微米TiB2粉体;采用无压烧结方法制备TiB2-B4C复相陶瓷和TiB2-SiC复相陶瓷并研究它们的微观形貌和力学性能;将TiB2-B4C复相陶瓷和TiB2-SiC复相陶瓷制成靶板,研究了材料力学性能与抗侵彻性能的关系,初步探讨了抗侵彻机理。主要的研究结论如下:1)以Ti02、B4C和炭黑为原料,少量纳米TiB2粉体为形核剂,采用硼/碳热还原法制备亚微米TiB2粉体,主要研究了原料配比(B4C含量和碳含量)、煅烧温度和保温时间对粉体的相组成及微观结构的影响;还研究了 TiB2晶体的形核和长大机理。研究结果表明:B4C含量影响着TiB2粉体的相组成及微观结构。B4C在反应过程中由于会形成部分B2O3,B2O3在高的煅烧温度下容易挥发,B2O3的挥发造成参加反应的硼源不足,使得制备的TiB2粉体中存在未被还原的钛的氧化物;B4C的量超过理论反应所需量的20wt%时,原料完全反应,制得TiB2粉体颗粒尺寸小,微观结构主要为扁平的六棱柱形。炭黑量也影响TiB2粉体相组成及微观结构,炭黑的加入促进反应向合成TiB2的方向进行,当炭黑含量为过量5wt%时,所制备的TiB2粉体,颗粒尺寸小,微观结构为扁平的六棱柱。煅烧温度影响着TiB2粉体的相组成,其中煅烧温度为1300℃时,所制备的TiB2粉体中含有较多的Ti的氧化物,当煅烧温度为1500℃时,所制备的TiB2粉体,仅检测到TiB2峰。当煅烧温度为1600℃时,检测到TiB2和Ti3O5的峰。保温时间也影响着合成TiB2相组成和微观结构。当保温时间为30min时,检测到了 TiB2和Ti的氧化物的峰;当保温时间为60min、90min和120min时,仅检测到TiB2的峰。随着保温时间的增加,颗粒由不规则的颗粒形貌逐渐演变为六棱柱,但保温时间越长颗粒尺寸越大。粉体的最佳合成条件为:Ti02含量为60.6wt%,B4C含量为25.1wt%,炭黑含量为14.3wt%,煅烧温度为1500℃,保温时间为60min。通过热力学和动力学分析,TiB2形成晶核后长大为片状六棱柱。2)采用无压烧结制备TiB2-B4C复相陶瓷,研究了生坯密度、TiB2与B4C之间的质量配比,烧结助剂(Ni)含量,烧结温度和保温时间对其物相组成、微观结构及力学性能的影响。由于无压烧结TiB2-B4C复相陶瓷,生坯密度越大,越容易烧结致密化。首先研究初始压力和保压时间对TiB2-B4C生坯密度的影响,当初始压力增大,初始保压时间增长,生坯密度先快速增加,当初始压力达到30MPa、保压时间为5min后,TiB2-B4C复相陶瓷的生坯密度增幅趋势变小,初始成型后对生坯进行相同等静压。考虑到生坯的强度和脱模难易,选择初始压力为30MPa和保压时间为5min,所得生坯密度为2.18g/cm3。当TiB2与B4C之间的质量比为60:40时,所制备的TiB2-B4C复相陶瓷最高致密度为95%,抗弯强度和断裂韧性分别为196.18MPa和3.58MPa·m1/2;为了进一步提高TiB2-B4C复相陶瓷的致密度和力学性能,将烧结助剂Ni添加到TiB2-B4C复相陶瓷中。当添加助剂Ni的量为0.5wt%～3.5wt%,烧结温度为2100℃保温时间为60min时,随着烧结助剂Ni含量的增加,复相陶瓷的致密化和力学性能先升高后下降。当添加助剂Ni为1.5wt%时,TiB2-B4C复相陶瓷的致密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性最高,分别为97.6%、20.4MPa、330MPa和5.7MPa·m1/2。由于烧结助剂Ni在高温加热时会形成液相,液相可促进烧结,但当液相较多时,TiB2-B4C复相陶瓷与液相浸润的颗粒迅速长大,长大的颗粒会降低复相陶瓷的力学性能。烧结工艺对TiB2-B4C复相陶瓷的烧结有重要的影响。当烧结温度为2000℃时,烧结驱动力不足,烧结致密度仅为95%;当烧结温度为2100℃时,烧结驱动力好,所得样品致密度可达97.8%,硬度、抗弯强度和断裂韧性最佳,分别为20.4GPa、330MPa和5.7MPa·m1/2;当烧结温度为2150℃时,烧结温度高,烧结体晶粒长大,TiB2-B4C复相陶瓷的致密度和力学性能降低。当延长保温时间,烧结体晶粒长大,保温时间为60min时,TiB2-B4C复相陶瓷的致密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性最佳,其值分别为97.8%、20,4GPa、330MPa和5.7MPa·m1/2。当在最佳的烧结工艺,利用最佳的配方,制备的TiB2-B4C复相陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为20.4GPa、330MPa及5.7MPa·m1/2。探索了 TiB2-B4C复相陶瓷的致密化和韧化机理,发现烧结体可以利用颗粒与颗粒之间的缺陷和烧结助剂Ni的液相产生的毛细管力促进复相陶瓷的烧结。当TiB2-B4C复相陶瓷形成裂纹时,裂纹遇到B4C颗粒时发生偏转,提高了 TiB2-B4C复相陶瓷的断裂韧性。3)除了 B4C可以提高TiB2烧结,SiC的添加也可提高TiB2的烧结。本文采用无压烧结制备TiB2-SiC复相陶瓷,研究了 TiB2与SiC之间的质量配比,添加剂B4C和石墨烯的含量,烧结制度对TiB2-SiC复相陶瓷的致密化和力学性能的影响。当TiB2与SiC之间的质量比为75:25时,其致密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性最高分别为95.5%、17.8GPa、211.4MPa和2.78MPa·m1/2。由于TiB2表面不可避免的存在着Ti02、B203影响复相陶瓷的烧结,加入少量的B4C可以去除表面的氧化物,促进TiB2-SiC复相陶瓷的烧结,当添加1wt%B4C时其致密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性最高分别为97.3%、21.6GPa、265.2MPa和4.8MPa·m1/2。石墨烯作为一种新材料,添加到TiB2-SiC复相陶瓷中时,可提高力学性能,当添加2wt%石墨烯时,TiB2-SiC复相陶瓷具有最佳的硬度、抗弯强度和断裂韧性,其值分别为27.8GPa、337.19MPa和5.7MPa·m1/2。由于石墨烯为片层结构,添加后会使颗粒之间的迁移发生阻碍,使得致密度有所降低,但是由于其石墨烯的片层结构可连接两个颗粒,在烧结体断裂时,可以使裂纹发生偏转,阻碍裂纹的进一步扩展,因此提高了烧结体的力学性能。本文研究发现当TiB2与SiC之间的质量比为75:25,添加1 wt%B4C和2wt%石墨烯,烧结温度为2 1 00℃,保温时间为90min时,TiB2-SiC复相陶瓷硬度、抗弯强度和断裂韧性最佳分别为27.8GPa、337.19MPa和5.7MPa·m1/2。探索了 TiB2-SiC复相陶瓷的致密化和韧化机理,发现B4C去除TiB2表面的氧化物后,促进颗粒的迁移,烧结体的致密度提高。通过TiB2-SiC复相陶瓷的断口形貌分析,断口的断裂模式由沿晶断裂转为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂模式,对于力学性能,当裂纹遇到石墨烯时,裂纹发生偏转,促进断裂韧性的提高。4)利用最佳力学性能的TiB2-B4C复相陶瓷和TiB2-SiC复相陶瓷的防弹板。TiB2-B4C复相陶瓷和TiB2-SiC复相陶瓷防弹板的厚度均为10mm,陶瓷板面积均为205mm×185mm。采用12.7mmAPI弹进行打靶测试,靶板均未穿透。以靶试结果为依据,观察陶瓷芯的破坏形式、背板的破坏形式及弹丸冲击后的破坏形式。当弹着点在中心区时,背板的变形基本对称;当弹着点偏离中心区时,背板的变形不对称。弹着点在中心区和偏离中心区时,陶瓷板都可以形成陶瓷锥。TiB2-SiC的力学性能优于TiB2-B4C复相陶瓷的力学性能。通过弹丸速度、背板凹陷深度分析弹丸侵彻陶瓷板,弹丸和陶瓷锥一起侵彻背板的过程,研究发现TiB2-SiC复相陶瓷的抗侵彻性能优于TiB2-B4C复相陶瓷的抗侵彻性能。