專利名稱：一種碳化硅防彈陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料的制備方法，具體是一種碳化硅防彈陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
防彈材料是與子彈類武器的發(fā)展相伴相生的必然產(chǎn)物。目前常規(guī)武器發(fā)展迅速， 對單兵和裝備的威脅等級逐步提高，也對防彈材料的要求提出了更高的要求。對于高威脅等級的破片和彈體防護，需要采用在軟體防彈衣上疊加防彈插板的結(jié)構(gòu)形式提高防彈效能，這種設(shè)計充分利用了軟體防彈衣和硬質(zhì)防彈材料各自的彈道防護性能優(yōu)勢。硬質(zhì)防彈材料通常選用陶瓷材料，例如氧化鋁、碳化硅、碳化硼等等。氧化鋁材料是早起個體防護裝備中應(yīng)用最廣泛的材料，具有原料易得、工藝成熟的優(yōu)勢，但其密度高(約3. 8 g/cm3)、性能低、導(dǎo)致防彈衣重量增加和穿著者戰(zhàn)斗能力下降。 碳化硼材料雖然密度低，硬度好，但是需要熱壓生產(chǎn)，工藝復(fù)雜、產(chǎn)量低、價格高昂。碳化硅陶瓷具有較高的硬度和彈性模量，密度適中(3. (Γ3. 2g/cm3)，是比較理想的防彈陶瓷材料。 美國等少數(shù)西方國家突破了其在防彈領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在其現(xiàn)役部隊中批量應(yīng)用。而我國在碳化硅陶瓷用于單兵彈道防護領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏系統(tǒng)研究，特別是在高強、高韌碳化硅材料的成本制備技術(shù)方面長時間沒有取得突破更限制了該材料在個體防護領(lǐng)域的應(yīng)用。碳化硅可以通過不同生產(chǎn)工藝進行生產(chǎn)，熱壓燒結(jié)時產(chǎn)品的性能參數(shù)有明顯提高但隨之生產(chǎn)成本也大幅提高；無壓燒結(jié)碳化硅也有原料價格高，工藝復(fù)雜、性能不高等缺陷。相比之下反應(yīng)燒結(jié)工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品游離硅含量低、密度高。所謂反應(yīng)燒結(jié)工藝是將具有反應(yīng)活性的液(氣)相硅或硅合金，在毛細管力的作用下滲入含有碳的多孔陶瓷素坯，并與其中的碳反應(yīng)生成碳化硅。與其它燒結(jié)工藝相比，反應(yīng)燒結(jié)工藝被認為是很具有前途的燒結(jié)工藝，具有如下特點
可以再略高于硅的熔點(1420°C )的溫度條件下進行，遠低于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝所要求的溫度；碳化硅原料的制備和燒結(jié)一步完成，較低的燒結(jié)溫度可以有效抑制材料在高溫下發(fā)生的諸多不利反應(yīng)與變化，如晶粒異常長大和高溫分解等。相比其它工藝反應(yīng)燒結(jié)碳化硅具有以下優(yōu)點
(1)不需要高純硅作為原料，反應(yīng)不需要燒結(jié)添加劑；
(2)碳坯的多孔結(jié)構(gòu)使反應(yīng)迅速，反應(yīng)時間短；
(3)碳坯容易加工，適合于制備復(fù)雜形狀的制品；
(4)后期滲硅沒有明顯的體積或形狀變化，易于獲得凈尺寸制品，減小后加工成本；
(5)產(chǎn)品在1350°C以下具有優(yōu)良的抗高溫蠕變性能。正是由于以上特點，反應(yīng)燒結(jié)工藝與傳統(tǒng)的常壓燒結(jié)(原料要求高、燒結(jié)變形大)、 熱壓燒結(jié)(設(shè)備復(fù)雜、成本、高產(chǎn)量低)相比具有巨大的成本優(yōu)勢。生產(chǎn)同樣數(shù)量的產(chǎn)品所需的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量、設(shè)備性能要求、生產(chǎn)時間、員工的技術(shù)水平都有較大程度的降低和減少。如果按生產(chǎn)原料與工藝路線細分反應(yīng)燒結(jié)碳化硅又可以分為反應(yīng)結(jié)合碳化硅和反應(yīng)形成碳化硅兩種。簡單的說生產(chǎn)過程中使用碳化硅粉體作為原料之一的生產(chǎn)工藝就是反應(yīng)結(jié)合碳化硅工藝；不使用碳化硅原料的反應(yīng)燒結(jié)工藝為反應(yīng)形成碳化硅。反應(yīng)結(jié)合工藝產(chǎn)品中的碳化硅既有由原料引入的碳化硅又有反應(yīng)燒結(jié)過程中產(chǎn)生的碳化硅，而反應(yīng)形成生產(chǎn)工藝產(chǎn)品中的碳化硅全部為反應(yīng)燒結(jié)過程中生成。反應(yīng)結(jié)合工藝是具有生產(chǎn)過程簡單、成本低的優(yōu)勢。但是容易出現(xiàn)碳化硅晶粒大、自由硅含量高、生坯孔徑不均勻?qū)е聺B硅不均勻的現(xiàn)象發(fā)生。反應(yīng)生成碳化硅的主要問題是坯體熱解時容易開裂，不容易得到大尺寸制品。生坯中碳含量較高，未能完全反應(yīng)的碳會破壞制品性能。滲硅時生成碳化硅是放熱反應(yīng)，可能發(fā)生高溫使碳化硅顆粒異常長大，或發(fā)生晶形改變，影響力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明使用碳化硅粉體作為原料之一，通過反應(yīng)燒結(jié)法制備了一種碳化硅防彈陶瓷材料。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種碳化硅防彈陶瓷材料，將碳粉和碳化硅粉的混合物作為原料與金屬硅一起進行反應(yīng)燒結(jié)制得的碳化硅防彈陶瓷材料，所述碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的質(zhì)量百分比為;Γ60%，其余為碳化硅粉，所述金屬硅的加入量是碳粉質(zhì)量的2. 3飛倍。所述碳粉的質(zhì)量百分比為5 50%。所述金屬硅的加入量是碳粉質(zhì)量的3飛倍。所述碳化硅為綠碳化硅，粒度范圍是6(Γ2000目。所述碳粉的比表面積是5 500m2/g。所述碳化硅的粒度范圍是ΚΚΓ1200目。所述碳粉的比表面積是5(T300 m2/g。.
碳化硅防彈陶瓷材料的制備方法，將碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料機中，加適量結(jié)合劑混料，將混好的原料通過篩分除去過大和過小的顆粒，將余下的粒徑均勻的原料加入到模具中在油壓機中成型，壓制成型后的生坯經(jīng)過干燥固化，然后放入燒結(jié)爐，按比例加入金屬硅在惰性氣氛下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為140(T240(TC，保溫時間為0. 5、小時，保溫結(jié)束后緩慢降溫。所述的碳化硅粉采用不同粒徑的組合物。所述的結(jié)合劑為汽油橡膠、酚醛樹脂、PVA、羥甲基纖維素或石蠟。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明使用碳化硅和碳粉為原料，使用反應(yīng)結(jié)合碳化硅的生產(chǎn)工藝，通過高溫條件下金屬硅與原料中的碳粉反應(yīng)生成新的碳化硅。通過特殊的原料、 配方、加工工藝的改進，使反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品的比其它工藝路線生產(chǎn)出的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品有更少的游離硅含量、更高的密度、更高的斷裂韌性和更好的防彈性能。通常一般反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品的游離硅含量在14 18%左右，密度只有3. 05左右甚至更低，本發(fā)明成功將產(chǎn)品游離硅含量降低到纊14%，密度3. 08^3. 12克/立方厘米，游離硅比同類產(chǎn)品降低了 2(Γ45%，密度也有較大幅度的提高。同時由于使用了碳化硅作為原料，減少了反應(yīng)過程中生成的碳化硅的數(shù)量，減少了集中生成碳化硅時短時間放出大量熱量引起的產(chǎn)品變形和開裂的現(xiàn)象。同時由于一般情況下碳粉的價格高于碳化硅，所以碳化硅的加入也降低了原料成本。


圖1是制備碳化硅防彈陶瓷材料的工藝路線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步解釋說明。實施例1
600目綠碳化硅35%，280目綠碳化硅45%，碳粉20%，用混料機充分混合均勻后，噴入用酚醛樹脂，繼續(xù)混合。直到物料自然成為0.5 2mm的近球形顆粒。過振動篩篩分，去除過大和過小的混料。使用鋼模和油壓機將篩分后的顆粒壓成250*250*10mm的平板。壓好的生坯使用電熱干燥箱120°C干燥4小時后裝入燒結(jié)爐。同時裝入燒結(jié)爐的還有碳粉加入量3. 5 倍的金屬硅，金屬硅可以放置在生坯的上方或下方并用石墨或碳化硅隔板隔開。感應(yīng)爐通電，在惰性氣氛下進行燒結(jié)。燒結(jié)溫度為2000°C，保溫2小時。保溫后自然降溫，冷卻后將燒結(jié)好的陶瓷片取出。經(jīng)過噴砂處理和質(zhì)檢工序就可以得到陶瓷片。實施例2
600目綠碳化硅30%，320目綠碳化硅50%，碳粉20%，用混料機充分混合均勻后，噴入用酚醛樹脂，繼續(xù)混合。直到物料自然成為0.5 2mm的近球形顆粒。過振動篩，去除過大和過小的混料。使用鋼模和油壓機將篩分后的顆粒壓成245*295*8mm的雙曲防彈陶瓷板生坯。 壓好的生坯使用電熱干燥箱120°C干燥4小時后裝入燒結(jié)爐。同時裝入燒結(jié)爐的還有碳粉加入量3. 5倍的金屬硅，金屬硅可以放置在生坯的上方或下方并用石墨或碳化硅隔板隔開。感應(yīng)爐通電，在惰性氣氛下進行燒結(jié)。燒結(jié)溫度為2050°C，保溫1. 5小時。保溫后自然降溫，冷卻后將燒結(jié)好的陶瓷片取出。得到相對密度3. 08^3. 12的碳化硅雙曲防彈陶瓷板。陶瓷板與超高分子量聚乙烯材料復(fù)合可以得到面密度為35kg/m2的復(fù)合美國司法部 NIJ標(biāo)準(zhǔn)1001. 06標(biāo)準(zhǔn)中IV級別的陶瓷復(fù)合防彈插板。實施例3
800目綠碳化硅26%，320目綠碳化硅54%，碳粉20%，用混料機充分混合均勻后，噴入用酚醛樹脂，繼續(xù)混合。直到物料自然成為0.5 2mm的近球形顆粒。過振動篩篩分，去除過大和過小的混料。使用鋼模和油壓機將篩分后的顆粒壓成Φ25*50πιπι中心孔9mm的噴砂噴嘴生坯。壓好的生坯使用電熱干燥箱120°C干燥4小時后裝入燒結(jié)爐。同時裝入燒結(jié)爐的還有碳粉加入量3. 5倍的金屬硅，金屬硅可以放置在生坯的上方或下方并用石墨或碳化硅隔板隔開。感應(yīng)爐通電，在惰性氣氛下進行燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1950°C，保溫1小時。保溫后自然降溫，冷卻后將燒結(jié)好的陶瓷片取出。得到相對密度3. 08左右的噴嘴。噴嘴耐磨性叫普通反應(yīng)燒結(jié)產(chǎn)品有較大提高。使用磨加工設(shè)備將上述陶瓷產(chǎn)品加工成實驗樣條、樣品進行性能測試，測試數(shù)據(jù)見下表。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，將碳粉和碳化硅粉的混合物作為原料與金屬硅一起進行反應(yīng)燒結(jié)制得的碳化硅防彈陶瓷材料，所述碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的質(zhì)量百分比為3飛0%，其余為碳化硅粉，所述金屬硅的加入量是碳粉質(zhì)量的2. 3飛倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的質(zhì)量百分比為5 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述金屬硅的加入量是碳粉質(zhì)量的;Γ5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅為綠碳化硅，粒度范圍是60 2000目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的比表面積是 5 500m2/g。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅的粒度范圍是100 1200目。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硅防彈陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的比表面積是 50 300 m2/go
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的碳化硅防彈陶瓷材料的制備方法，其特征在于，將碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料機中，加適量結(jié)合劑混料，將混好的原料通過篩分除去過大和過小的顆粒，將余下的粒徑均勻的原料加入到模具中在油壓機中成型，壓制成型后的生坯經(jīng)過干燥固化，然后放入燒結(jié)爐，按比例加入金屬硅在惰性氣氛下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為140(T240(TC，保溫時間為0. 5、小時，保溫結(jié)束后緩慢降溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳化硅防彈陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述的碳化硅粉采用不同粒徑的組合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳化硅防彈陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述的結(jié)合劑為汽油橡膠、酚醛樹脂、PVA、羥甲基纖維素或石蠟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅防彈陶瓷材料及其制備方法，陶瓷材料的組成是碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的質(zhì)量百分比為3~60%，其余為碳化硅粉，所述金屬硅的加入量是碳粉質(zhì)量的2.3~6倍。制備方法是將碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料機中，加適量結(jié)合劑混料，篩分后加入到模具中在油壓機中成型，經(jīng)過干燥固化后放入燒結(jié)爐，按比例加入金屬硅在惰性氣氛下進行燒結(jié)。本發(fā)明涉及的方法制備出的碳化硅有更少的游離硅含量、更高的密度、更高的斷裂韌性和更好的防彈性能。由于碳化硅是原料之一，則減少了反應(yīng)過程中生成的碳化硅的量，減少了集中生成碳化硅時短時間放出大量熱量引起的產(chǎn)品變形和開裂的現(xiàn)象。
文檔編號C04B35/622GK102219519SQ201110105279
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者孟憲友, 王晴, 王海林, 翟巍 申請人:大連金瑪硼業(yè)科技集團有限公司