CN102173807B

CN102173807B - B4C/SiC功能梯度陶瓷及其制作方法

Info

Publication number: CN102173807B
Application number: CN2009100508520A
Authority: CN
Inventors: 李汶军; 李根法
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: CN102173807A

Abstract

B₄C以其高硬度和质轻的优势，是用于车辆装甲的首选材料，但是碳化硼在高的速度和冲击压力作用下，出现削弱抗弹性能的非晶化现象。本发明以10-30％VC(或VN)/40-60％B₄C/20-35mol％SiC，或8-35％VB₂/33-52％B₄C/25-41mol％SiC，或5-25％VC(或VN)/35-60％B₄C/5-20％LaB₆/30-55mol％SiC，或5-25％VB₂/35-55％B₄C/5-20％LaB₆/30-50mol％SiC。等共晶复合粉末为添加剂，在1700-2100℃，25-40MPa条件下热压烧结出B₄C/SiC功能梯度材料。B₄C/SiC功能梯度防弹材料的硬度为32-36GPa，抗弯强度为450-700MPa，降低了在冲击压力作用下由于B₄C晶体结构相变对抗弹性能的削弱。该材料兼具SiC和B₄C的优点，各项指标达到车辆装甲用要求。

Description

B4C/SiC功能梯度陶瓷及其制作方法

技术领域

本发明涉及B₄C/SiC防弹陶瓷材料的研制。采用B₄C/SiC功能梯度陶瓷的结构形式，使该材料兼具SiC和B₄C的优点，适用于车辆装甲。

背景技术

现代战争中，防弹装甲材料是不可缺少的生存之本，是军事武器的关键技术之一^[1]。陶瓷材料具有高硬度和重量轻的特点，是优良的抗弹材料之一^[2-3]。用于装甲体系的典型陶瓷包括氧化物陶瓷(如Al₂O₃)和非氧化物陶瓷(例如B₄C、SiC和TiB₂等)^[4-5]。一般来说，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相对低的密度(除TiB₂基陶瓷外)，作为防弹材料比Al₂O₃陶瓷更有利。碳化硼具有极高硬度(＞30GPa)、高熔点(2450℃)、优异的耐蚀性、较好的高温稳定性、质量轻(密度为2.52g/cm)等优良的物理化学性能，被认为是作为军事装备的最理想的装甲陶瓷，应用前景广泛。热压烧结的B₄C陶瓷已被用于制备防弹衣、直升机用轻质装甲板等。

陶瓷装甲的最大发展领域不在防弹衣方面，是在装甲车辆上。与金属装甲比较，陶瓷装甲具有较好的抗弹性能，尤其是对付破甲弹的效果更好。在各种陶瓷装甲材料中，B₄C以其高硬度和质轻的优势，是用于装甲车辆的首选材料。然而，自从约翰斯·霍普金斯大学和美陆军实验室的研究人员^[6]发现碳化硼在非常高的速度和冲击压力作用下，比如在具有较高动能的弹药冲击下，晶体结构由于相变而崩溃，形成易破碎的玻璃态材料带，出现削弱抗弹性能的非晶化现象。非晶化现象是B₄C用于装甲车辆的主要障碍。为了克服碳化硼材料在高压冲击下存在结构崩溃现象，研究人员希望通过改变晶体结构、化学成分和添加剂等途径，研究出新的制备方法，使碳化硼能够用于车辆装甲，但直到现在还没有找到成功的解决途径。碳化硅(SiC)具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击、耐高温氧化等特性。在防弹陶瓷中，它的硬度、弹性模量较高，密度居中，其防弹性能介于B₄C和Al₂O₃之间。在高动能的弹药冲击下，并不出现因相变而削弱抗弹性能。因此，采取SiC和B₄C复合陶瓷的结构形式有望能解决因相变而削弱其抗弹性能的现象。此外，SiC的加入还有望改善B₄C陶瓷的脆性，提高其强度。T.Yanai等人^[7]向B₄C中加入10-20vol％的SiC颗粒，实验表明引入SiC可以改善B₄C的强度和韧性。但同时发现，由于SiC的引入使B₄C陶瓷硬度降低，抗弹性能减弱。为了解决以上存在的问题，本课题把功能梯度结构的概念引入到B₄C/SiC复合陶瓷中，有望可以制备出适合车辆装甲用的B₄C/SiC功能梯度防弹材料。

参考文献

[1]孙志杰，吴燕，张佐光等，防弹陶瓷的研究现状与发展趋势，宇航材料工艺，2000，5：10-23

[2]程卫桃，碳化硼防弹陶瓷工程应用分析，中国陶瓷，2005，41(3)31-32

[3]穆柏春，张辉，唐立丹，制备工艺对碳化硼陶瓷性能的影响，粉末冶金技术，2007，25(4)：275-280

[4]赵俊山，王勇祥，邱桂杰，孟弋洁，结构/功能一体化轻质复合防弹材料研究，玻璃钢/复合材料，2005，1：22-24

[5]Chen MW，McCauley JW，Hemker KJ，Shock-induced localized amorphization in boron carbide，Science，299(5612)：1563-1566(2003)

[6]徐智谋，张联盟，化学镀制备功能梯度材料的实验研究，复合材料学报，2000，17(4)：66-72

发明内容

为了解决B₄C陶瓷在较高动能的弹药冲击下，晶体结构由于相变而崩溃的事实，本项目采用B₄C/SiC功能梯度陶瓷的结构形式，使研制出的B₄C/SiC功能梯度材料兼具B₄C和SiC的性能优势。本发明解决其技术问题所采用的技术方案：B₄C/SiC功能梯度陶瓷是由B₄C和SiC为原料在含量为0.5-12mol％共晶复合粉末添加剂存在下，在1500-2100℃的温度下烧结而成的形状为平板状(如图1)或具有弧形结构的适合各种防弹要求的部件(如图2)，其厚度方向的结构包括B₄C层、SiC层以及B₄C和SiC之间的梯度层，其中B₄C层中B₄C含量为95％以上，SiC层中SiC含量为95％以上，B₄C/SiC梯度层中B₄C和SiC的组分从B₄C层向SiC层连续地变化。

上述技术方案中含量为0.5-12mol％共晶复合粉末添加剂是指加入的共晶复合粉末添加剂在烧结用原料和共晶复合粉末中的含量为0.5-12mol％。

上述技术方案中的共晶复合粉末添加剂的组分包括：10-30％VC(或VN)/40-60％B₄C/20-35mol％SiC，或8-35％VB₂/33-52％B₄C/25-41mol％SiC或5-25％VC(或VN)/35-60％B₄C/5-20％LaB₆/30-55mol％SiC，或5-25％VB₂/35-55％B₄C/5-20％LaB₆/30-50mol％SiC。

上述技术方案中B₄C/SiC功能梯度陶瓷的表面层为B₄C层，中间层为B₄C/SiC梯度层，底层为SiC层。

上述技术方案中B₄C/SiC功能梯度陶瓷的梯度层为间断梯度层或连续梯度。

上述技术方案中B₄C/SiC功能梯度陶瓷的厚度方向为垂直于表面层切平面的方向。

上述技术方案中的B₄C/SiC功能梯度陶瓷的烧结方法为无压烧结或热压烧结。

上述技术方案中B₄C/SiC功能梯度陶瓷中沿厚度方向的B₄C层尺寸与B₄C/SiC梯度层和SiC层总厚度尺寸的比为2∶1至1∶2。

上述技术方案中B₄C/SiC功能梯度陶瓷的厚度方向的尺寸为6-150毫米，其中B₄C层为4-80毫米，SiC层和B₄C/SiC梯度层的总厚度为4-80毫米。

采用上述技术方案，本发明具有的如下优点：

(1)把功能梯度材料的结构形式应用到超硬材料的结构设计上，使设计出的B₄C/SiC功能梯度材料能兼具B₄C和SiC的性能优势，确保冲击表面具有足够的硬度和韧性。解决B₄C陶瓷在较高动能的弹药冲击下，晶体结构由于相变而崩溃的事实。

(2)共晶复合粉末为烧结剂有利于烧结出高致密度的梯度层复合结构。

附图说明

图1平板状B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构示意图

图2弧形异构状B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构示意图

图3采用20-24％VB₂/40-48％B₄C/30-36mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的平板状B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图4采用20-24％VB₂/40-48％B₄C/30-36mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的平板状B₄C/SiC功能梯度材料底面层的SEM照片。

图5采用10-20％VB₂/25-35％B₄C/15-25％LaB₆/30-40mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1700-1800℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的平板结构的B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图6采用10-20％VB₂/25-35％B₄C/15-25％LaB₆/30-40mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1700-1800℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的平板状B₄C/SiC功能梯度材料底面层的SEM照片。

图7采用18-22％VC(或VN)/46-54％B₄C/26-34mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的异构结构B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图8采用10-20％VC(或VN)/20-30％B₄C/15-25％LaB₆/35-45mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1700-1800℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为100毫米的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图9采用18-22％VC(或VN)/46-54％B₄C/26-34mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为10毫米的平板状B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图10采用10-20％VC(或VN)/20-30％B₄C/15-25％LaB₆/35-45mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1700-1900℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为10毫米的平板状的B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图11采用20-24％VB₂/40-48％B₄C/30-36mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为10毫米异构结构B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

图12采用10-20％VB₂/25-35％B₄C/15-25％LaB₆/30-40mol％SiC共晶复合粉末为添加剂在1700-1900℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的厚度为10毫米的异构结构B₄C/SiC功能梯度材料表面层的SEM照片。

具体实施方式

实施例1

在含量为5-10mol％的20-24％VB₂/40-48％B₄C/30-36mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的平板结构的B₄C/SiC功能梯度材料。其厚度方向的结构如图1，其中B₄C层厚度为40-60毫米，SiC层的厚度为20-30毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为20-30毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度度较高，没有明显的孔洞，如图3，底部SiC层中有少量孔洞出现，如图4。力学性能测试表明：表面层B₄C层的硬度为33-36GPa，材料抗弯强度为600-650MPa，详细数据如表一。

表一SiC/B₄C陶瓷的烧结条件和性能对比

实施例2

在含量为4-9mol％的10-20％VB₂/25-35％B₄C/15-25％LaB₆/30-40mol％SiC共晶复合粉末添加剂存在下，在1700-1800℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的平板结构的B₄C/SiC功能梯度材料。其厚度方向的结构如图1，其中B₄C层厚度为40-60毫米，SiC层厚度为20-30毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为20-30毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图5，而底部SiC层中有少量孔洞出现，如图6。力学性能测试表明：表面层B₄C层的硬度为31-34GPa，材料的抗弯强度为500-600MPa，详细数据如表一。

实施例3

在5-10mol％的18-22％VC(或VN)/46-54％B₄C/26-34mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料。其厚度方向的结构如图2，其中B₄C层厚度为40-60毫米，SiC层的厚度为20-30毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为20-30毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图7。力学性能测试表明：表面层B₄C层的硬度为32-35GPa，抗弯强度为550-600MPa，详细数据如表一。

实施例4

在4-10mol％的10-20％VC(或VN)/20-30％B₄C/15-25％LaB₆/35-45mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1700-1800℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料。B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构如图2，其中B₄C层厚度为40-60毫米，SiC层的厚度为20-30毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为20-30毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图8。力学性能测试表明：表面B₄C层的硬度为30-33GPa，抗弯强度为450-550MPa，详细数据如表一。

实施例5

在3-10mol％的18-22％VC(或VN)/46-54％B₄C/26-34mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1900-2000℃，30-40MPa条件下热压烧结而成的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料，B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构如图1，其中B₄C层厚度为4-8毫米，SiC层的厚度为2-4毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为2-4毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图9。力学性能测试表明：表面层B₄C层的硬度为33-36GPa，抗弯强度为600-650MPa，详细数据如表二。

实施例6：在3-8mol％的10-20％VC(或VN)/20-30％B₄C/15-25％LaB₆/35-45mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1700-1900℃，25-40MPa条件下热压烧结而成的平板结构的B₄C/SiC功能梯度材料，B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构如图1，其中B₄C 层厚度为4-8毫米，SiC层的厚度为2-4毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为2-4毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图10。力学性能测试表明：表面B₄C层的硬度为31-34GPa，抗弯强度为500-600MPa，详细数据如表二。

表二SiC/B₄C陶瓷的烧结条件和性能对比

实施例7：在3-10mol％的20-24％VB₂/40-48％B₄C/30-36mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1900-2000℃，25-40MPa条件下热压烧结而成的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料。B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构如图2，其中B₄C层厚度为4-8毫米，SiC层的厚度为2-4毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为2-4毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图11。力学性能测试表明：表面B₄C层的硬度为32-35GPa，抗弯强度为550-650MPa，详细数据如表二。

实施例8：在3-8mol％的10-20％VB₂/25-35％B₄C/15-25％LaB₆/30-40mol％SiC的共晶复合粉末添加剂存在下，在1700-1900℃，25-40MPa条件下热压烧结而成的异构结构的B₄C/SiC功能梯度材料。B₄C/SiC功能梯度材料厚度方向的结构如图2，其中B₄C层厚度为4-8毫米，SiC层的厚度为2-4毫米，B₄C和SiC之间的梯度层厚度为2-4毫米。SEM分析表明：表面B₄C层致密度较高，没有明显的孔洞，如图12。力学性能测试表明：表面B₄C层的硬度为31-34GPa，抗弯强度为450-550MPa，详细数据如表二。

Claims

1.一种防弹装甲用B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：该功能梯度陶瓷是由B₄C和SiC为原料在含量为0.5-12mol％的共晶复合粉末添加剂的存在下，在1500-2100℃的温度下烧结而成的形状为平板状或具有弧形结构的部件，其厚度方向的结构包括B₄C层、SiC层和B₄C和SiC之间的梯度层，其中：B₄C层中B₄C含量为95％以上，SiC层中SiC含量为95％以上，B₄C/SiC梯度层中B₄C和SiC的组分从B₄C层向SiC层连续地变化；所述的共晶复合粉末添加剂的组分为：20-24％VB₂、40-48％B₄C、30-36mol％SiC，或18-22％VC、46-54％B₄C、26-34mol％SiC，或18-22％VN、46-54％B₄C、26-34mol％SiC，或10-20％VB₂、25-35％B₄C、15-25％LaB₆、30-40mol％SiC，或10-20％VC、20-30％B₄C、15-25％LaB₆、35-45mol％SiC，或10-20％VN、20-30％B₄C、15-25％LaB₆、35-45mol％SiC。

2.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的0.5-12mol％共晶复合粉末添加剂是指加入的共晶复合粉末添加剂在烧结用原料和共晶复合粉末中的含量为0.5-12mol％。

3.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷的烧结为热压烧结或无压烧结。

4.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的厚度方向，即为B₄C/SiC功能梯度陶瓷的表面上某一点的厚度方向，为垂直于表面上该点的切平面的方向。

5.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷中B₄C层沿厚度方向的尺寸与B₄C/SiC功能梯度陶瓷的总厚度的比为1∶3至2∶3。

6.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的厚度方向的尺寸为8-30毫米，其中B₄C层为3-20毫米，SiC层和B₄C/SiC梯度层的总厚度为3-20毫米。

7.根据权利要求1所述的B₄C/SiC功能梯度陶瓷，其特征在于：所述的厚度方向的尺寸为50-120毫米，其中B₄C层为15-80毫米，SiC层和B₄C/SiC梯度层的总厚度为15-80亳米。