CN101948312A - 一种碳化硅防弹陶瓷 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％～50％、纳米碳黑占8％～12％、酚醛树脂占3％～10％、硅占38％～45％，碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径10＜d50＜30μm，硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％，纳米碳黑为N330碳黑，酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。按照本发明所述的原料百分比及粒度所制得的防弹陶瓷具有密度低、硬度高、强度高、弹性模量高的优点，是近乎完全致密的烧结体复合陶瓷材料，密度高于3.0g/cm3，维氏硬度大于11GPa，抗弯强度大于300MPa，弹性模量大于380GPa，防护系数不低于9.3。
Description
技术领域
本发明涉及一种防弹陶瓷，特别涉及一种反应烧结碳化硅防弹陶瓷。
背景技术
为了应对高科技战争中武器性能的提高以及日常生活中的人员防护问题，新型防护材料的开发日益受到各国的重视。从上世纪90年代开始，由于先进陶瓷材料具有低密度、高硬度、高强度以及高模量等特点，同时在高温下仍然具有较好的强度、硬度；因此可以有效地抵抗破甲弹、穿甲弹以及其他的一些冲击伤害，各国纷纷对陶瓷类装甲进行研发。
目前应用最广的装甲陶瓷材料主要为氧化铝陶瓷，碳化硼和氮化硅陶瓷，以及由这几种陶瓷为基体的复合材料的制备及相关性能也正在进行深入的研究。
1)氧化铝陶瓷装甲材料，氧化铝材料本身价格低廉，而且开发了一系列相关材料。据报道氧化铝基复合陶瓷的防护系数可以达到3.06((葛文艳等，Al2O3基陶瓷抗弹性能研究，兵器材料科学与工程，2004，Vol.27，No.4，p30)钒刚玉的防护系数为2.23，铬刚玉的防护系数为2.08，而一般的氧化铝陶瓷其防护系数仅为1.96左右(见黄良钊等，刚玉系抗弹陶瓷的显微结构与性能研究，功能材料，2003，No.3，p288)。
2)碳化硼陶瓷装甲材料，目前广泛应用的仍然是热压碳化硼技术，只能生产形状单一的片状样品。据报道，热压方法制备的碳化硼材料其面密度可以达到23.5kg/m2(AGHAJANIAN M.K.et al.A new familyof reaction bonded ceramics for armor applications，Ceramictransactions，2002，vol.134，p527)，经换算，其防护系数可以达到13以上。虽然碳化硼本身非常适宜用作装甲防弹材料，但其高昂的原料价格及烧结成本，使得碳化硼的推广困难重重。
3)氮化硅基陶瓷装甲材料，氮化硅的制备方法以液相烧结和热压烧结为主，如在李翠伟等《Si3N4/BN层状复合陶瓷抗穿甲破坏实验研究》(无机材料学报，2005，Vol.20，No.1，p99)一文中报道，氮化硅块体的防护系数虽然可以达到12.8，但其所用烧结工艺也为热压工艺。
而碳化硅是一种共价键很强的陶瓷材料，具有良好的机械性能和硬度，并且反应烧结工艺的使用，使得产品可以实现净尺寸烧结。相对于氧化铝陶瓷而言，其防护系数最高可以达到11左右，约为普通氧化铝陶瓷防护系数的5倍。相对碳化硼陶瓷而言，虽然防护系数略低(本发明的SiC防护系数为11左右，热压碳化硼防护系数为13左右)，但其成本仅为碳化硼陶瓷的十分之一。即碳化硅陶瓷既具有氧化铝陶瓷的工业化前景，又具有可以媲美碳化硼陶瓷的抗弹性能。
目前的反应烧结碳化硅陶瓷防护系数的分散度较大，防护系数值一般在6左右，对于一些特定的场合无法达到防护要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种碳化硅防弹陶瓷，具有密度低、硬度高、具有优良抗弹性能，并可制备复杂形状制品。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％～50％、纳米碳黑占8％～12％、酚醛树脂占3％～10％、硅占38％～45％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径10＜d50＜30μm。
上述硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
按照本发明所述的原料百分比及粒度，以碳化硅为基体，酚醛树脂作为粘接剂、纳米碳黑作为主要碳源，通过反应烧结的方法生成二次碳化硅，将原料中的碳化硅颗粒连接起来。采用了纳米碳黑以提高反应活性，可以进一步降低烧结温度。反应烧结过程中由纳米碳黑生成的二次碳化硅连接一次碳化硅，同时由于形成的二次碳化硅晶粒细小附着在一次碳化硅表面，改善了高速冲击情况下材料的表现。
本发明具有密度低、硬度高、强度高、弹性模量高的优点，是近乎完全致密的烧结体复合陶瓷材料，密度高于3.0g/cm3，维氏硬度大于11GPa，抗弯强度大于300MPa，弹性模量大于380GPa，防护系数不低于9.3。
附图说明
图1为实施例5的烧成品实物图。
图2是实施例5进行抗弹实验后的背板照片。
图3是实施例3进行抗弹实验后的背板照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例二
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占42％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占42％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm。
上述硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例三
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占44％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占6％、硅占42％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例四
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占42％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占8％、硅占40％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例五
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占46％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占6％、硅占40％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为10μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例六
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占48％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占4％、硅占40％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为10μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例七
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占50％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占4％、硅占38％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为30μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
实施例八
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为30μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
对比例一
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为5μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
对比例二
一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为50μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
根据以上8个实施例及两个对比例所述的组分及粒度，烧结得到的碳化硅防弹陶瓷的相关性能如表1所示
表1本发明碳化硅基防弹陶瓷的相关性能及防护系数
由实施例可看出所用碳化硅粉料粒度d50值应介于10μm～30μm，若低于10μm，见对比例1，制备产品硬度偏低，抗弹性能较差，而且会使材料的防护系数分散度增大；若高于30μm，抗弹性能不会有明显提高，特别是达到50微米以上时，见对比例2，材料的防护系数降低，分散度也会增大。准备的原料中酚醛树脂的重量百分含量优选值在3～10％，若小于3％，生坯的强度过低，粉料的粘接性能较差，成型性能较差，生坯密度偏低不利于烧结后碳化硅含量的提高；若超过10％，酚醛树脂裂解后形成的气孔较多，残硅量提高，材料的硬度和高温性能相应下降，会使防护系数降低。
所用纳米碳黑的含量不应大于原料重量比例的12％，否则产品中由于工艺问题容易出现残碳，同时二次碳化硅量过多也会降低材料的防弹性能。
对于硅的加入量，占原料准备量的38％～45％，优选值在42％～45％。若低于38％，会出现在渗硅过程中生坯气孔填充不完全，造成制品性能降低；若超过45％，会在制品表面出现冷凝硅，不利于制品的表面性能及处理，并造成原料的浪费。
本发明所制得的防弹陶瓷进行弹道测试所用的样品如图1所示，防弹陶瓷在受到子弹冲击时会完全粉碎，吸收子弹的动能，从而保护人员或者设备的安全(见图2，图3)，在碳化硅原料粒度为14微米时，使用7.62mm穿甲燃烧弹进行测试，子弹速度为830m/s时，其防护系数最高可达11.21。
Claims (10)
1.一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％～50％、纳米碳黑占8％～12％、酚醛树脂占3％～10％、硅占38％～45％。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径10＜d50＜30μm。
3.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm；
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
4.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占42％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占42％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm；
上述金属硅为粒径约5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
5.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占44％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占6％、硅占42％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm；
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
6.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占42％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占8％、硅占40％。
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为14μm。
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％。
上述纳米碳黑为N330碳黑。
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
7.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占46％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占6％、硅占40％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为10μm；
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
8.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占48％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占4％、硅占40％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为10μm；
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
9.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占50％、纳米碳黑占8％、酚醛树脂占4％、硅占38％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为30μm；
上述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
上述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％。
10.根据权利要求1和2所述的一种碳化硅防弹陶瓷，其特征在于，其原料组分的质量百分数为：一种碳化硅防弹陶瓷，其原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％、纳米碳黑占10％、酚醛树脂占6％、硅占44％；
上述碳化硅为粉体，SiC含量＞98％，粉料粒径为30μm；
上述金属硅为粒径约为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；
上述纳米碳黑为N330碳黑；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110119 |