CN102219519A

CN102219519A - 一种碳化硅防弹陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102219519A
Application number: CN 201110105279
Authority: CN
Inventors: 孟宪友; 王海林; 翟巍; 王晴
Original assignee: DALIAN JINMA BORON TECHNOLOGY GROUP CO LTD
Current assignee: DALIAN JINMA BORON TECHNOLOGY GROUP CO LTD
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种碳化硅防弹陶瓷材料及其制备方法，陶瓷材料的组成是碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的质量百分比为3~60%，其余为碳化硅粉，所述金属硅的加入量是碳粉质量的2.3~6倍。制备方法是将碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料机中，加适量结合剂混料，筛分后加入到模具中在油压机中成型，经过干燥固化后放入烧结炉，按比例加入金属硅在惰性气氛下进行烧结。本发明涉及的方法制备出的碳化硅有更少的游离硅含量、更高的密度、更高的断裂韧性和更好的防弹性能。由于碳化硅是原料之一，则减少了反应过程中生成的碳化硅的量，减少了集中生成碳化硅时短时间放出大量热量引起的产品变形和开裂的现象。

Description

一种碳化硅防弹陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料的制备方法，具体是一种碳化硅防弹陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

防弹材料是与子弹类武器的发展相伴相生的必然产物。目前常规武器发展迅速，对单兵和装备的威胁等级逐步提高，也对防弹材料的要求提出了更高的要求。对于高威胁等级的破片和弹体防护，需要采用在软体防弹衣上叠加防弹插板的结构形式提高防弹效能，这种设计充分利用了软体防弹衣和硬质防弹材料各自的弹道防护性能优势。硬质防弹材料通常选用陶瓷材料，例如氧化铝、碳化硅、碳化硼等等。

氧化铝材料是早起个体防护装备中应用最广泛的材料，具有原料易得、工艺成熟的优势，但其密度高（约3.8 g/cm³）、性能低、导致防弹衣重量增加和穿着者战斗能力下降。碳化硼材料虽然密度低，硬度好，但是需要热压生产，工艺复杂、产量低、价格高昂。碳化硅陶瓷具有较高的硬度和弹性模量，密度适中（3.0~3.2g/cm³），是比较理想的防弹陶瓷材料。美国等少数西方国家突破了其在防弹领域应用的关键技术，已经在其现役部队中批量应用。而我国在碳化硅陶瓷用于单兵弹道防护领域的应用缺乏系统研究，特别是在高强、高韧碳化硅材料的成本制备技术方面长时间没有取得突破更限制了该材料在个体防护领域的应用。

碳化硅可以通过不同生产工艺进行生产，热压烧结时产品的性能参数有明显提高但随之生产成本也大幅提高；无压烧结碳化硅也有原料价格高，工艺复杂、性能不高等缺陷。

相比之下反应烧结工艺所生产的产品游离硅含量低、密度高。

所谓反应烧结工艺是将具有反应活性的液（气）相硅或硅合金，在毛细管力的作用下渗入含有碳的多孔陶瓷素坯，并与其中的碳反应生成碳化硅。与其它烧结工艺相比，反应烧结工艺被认为是很具有前途的烧结工艺，具有如下特点：

可以再略高于硅的熔点（1420℃）的温度条件下进行，远低于传统烧结工艺所要求的温度；碳化硅原料的制备和烧结一步完成，较低的烧结温度可以有效抑制材料在高温下发生的诸多不利反应与变化，如晶粒异常长大和高温分解等。相比其它工艺反应烧结碳化硅具有以下优点：

（1）不需要高纯硅作为原料，反应不需要烧结添加剂；

（2）碳坯的多孔结构使反应迅速，反应时间短；

（3）碳坯容易加工，适合于制备复杂形状的制品；

（4）后期渗硅没有明显的体积或形状变化，易于获得净尺寸制品，减小后加工成本；

（5）产品在1350℃以下具有优良的抗高温蠕变性能。

正是由于以上特点，反应烧结工艺与传统的常压烧结（原料要求高、烧结变形大）、热压烧结（设备复杂、成本、高产量低）相比具有巨大的成本优势。生产同样数量的产品所需的生产设备数量、设备性能要求、生产时间、员工的技术水平都有较大程度的降低和减少。

如果按生产原料与工艺路线细分反应烧结碳化硅又可以分为反应结合碳化硅和反应形成碳化硅两种。简单的说生产过程中使用碳化硅粉体作为原料之一的生产工艺就是反应结合碳化硅工艺；不使用碳化硅原料的反应烧结工艺为反应形成碳化硅。反应结合工艺产品中的碳化硅既有由原料引入的碳化硅又有反应烧结过程中产生的碳化硅，而反应形成生产工艺产品中的碳化硅全部为反应烧结过程中生成。反应结合工艺是具有生产过程简单、成本低的优势。但是容易出现碳化硅晶粒大、自由硅含量高、生坯孔径不均匀导致渗硅不均匀的现象发生。反应生成碳化硅的主要问题是坯体热解时容易开裂，不容易得到大尺寸制品。生坯中碳含量较高，未能完全反应的碳会破坏制品性能。渗硅时生成碳化硅是放热反应，可能发生高温使碳化硅颗粒异常长大，或发生晶形改变，影响力学性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明使用碳化硅粉体作为原料之一，通过反应烧结法制备了一种碳化硅防弹陶瓷材料。

本发明的技术方案是这样实现的：一种碳化硅防弹陶瓷材料，将碳粉和碳化硅粉的混合物作为原料与金属硅一起进行反应烧结制得的碳化硅防弹陶瓷材料，所述碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的质量百分比为3~60%，其余为碳化硅粉，所述金属硅的加入量是碳粉质量的2.3~6倍。

所述碳粉的质量百分比为5~50%。

所述金属硅的加入量是碳粉质量的3~5倍。

所述碳化硅为绿碳化硅，粒度范围是60~2000目。

所述碳粉的比表面积是5~500m²/g。

所述碳化硅的粒度范围是100~1200目。

所述碳粉的比表面积是50~300 m²/g。.

碳化硅防弹陶瓷材料的制备方法，将碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料机中，加适量结合剂混料，将混好的原料通过筛分除去过大和过小的颗粒，将余下的粒径均匀的原料加入到模具中在油压机中成型，压制成型后的生坯经过干燥固化，然后放入烧结炉，按比例加入金属硅在惰性气氛下进行烧结，烧结温度为1400~2400℃，保温时间为0.5~8小时，保温结束后缓慢降温。

所述的碳化硅粉采用不同粒径的组合物。

所述的结合剂为汽油橡胶、酚醛树脂、PVA、羟甲基纤维素或石蜡。

本发明的有益效果是：本发明使用碳化硅和碳粉为原料，使用反应结合碳化硅的生产工艺，通过高温条件下金属硅与原料中的碳粉反应生成新的碳化硅。通过特殊的原料、配方、加工工艺的改进，使反应烧结碳化硅产品的比其它工艺路线生产出的反应烧结碳化硅产品有更少的游离硅含量、更高的密度、更高的断裂韧性和更好的防弹性能。通常一般反应烧结碳化硅产品的游离硅含量在14~18%左右，密度只有3.05左右甚至更低，本发明成功将产品游离硅含量降低到9~14%，密度3.08~3.12克/立方厘米，游离硅比同类产品降低了20~45%，密度也有较大幅度的提高。

同时由于使用了碳化硅作为原料，减少了反应过程中生成的碳化硅的数量，减少了集中生成碳化硅时短时间放出大量热量引起的产品变形和开裂的现象。同时由于一般情况下碳粉的价格高于碳化硅，所以碳化硅的加入也降低了原料成本。

附图说明

图1是制备碳化硅防弹陶瓷材料的工艺路线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明。

实施例1

600目绿碳化硅35%，280目绿碳化硅45%，碳粉20%，用混料机充分混合均匀后，喷入用酚醛树脂，继续混合。直到物料自然成为0.5~2mm的近球形颗粒。过振动筛筛分，去除过大和过小的混料。使用钢模和油压机将筛分后的颗粒压成250*250*10mm的平板。压好的生坯使用电热干燥箱120℃干燥4小时后装入烧结炉。同时装入烧结炉的还有碳粉加入量3.5倍的金属硅，金属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开。

感应炉通电，在惰性气氛下进行烧结。烧结温度为2000℃，保温2小时。保温后自然降温，冷却后将烧结好的陶瓷片取出。经过喷砂处理和质检工序就可以得到陶瓷片。

实施例2

600目绿碳化硅30%，320目绿碳化硅50%，碳粉20%，用混料机充分混合均匀后，喷入用酚醛树脂，继续混合。直到物料自然成为0.5~2mm的近球形颗粒。过振动筛，去除过大和过小的混料。使用钢模和油压机将筛分后的颗粒压成245*295*8mm的双曲防弹陶瓷板生坯。压好的生坯使用电热干燥箱120℃干燥4小时后装入烧结炉。同时装入烧结炉的还有碳粉加入量3.5倍的金属硅，金属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开。

感应炉通电，在惰性气氛下进行烧结。烧结温度为2050℃，保温1.5小时。保温后自然降温，冷却后将烧结好的陶瓷片取出。得到相对密度3.08~3.12的碳化硅双曲防弹陶瓷板。陶瓷板与超高分子量聚乙烯材料复合可以得到面密度为35kg/m²的复合美国司法部NIJ标准1001.06标准中IV级别的陶瓷复合防弹插板。

实施例3

800目绿碳化硅26%，320目绿碳化硅54%，碳粉20%，用混料机充分混合均匀后，喷入用酚醛树脂，继续混合。直到物料自然成为0.5~2mm的近球形颗粒。过振动筛筛分，去除过大和过小的混料。使用钢模和油压机将筛分后的颗粒压成Φ25*50mm 中心孔9mm的喷砂喷嘴生坯。压好的生坯使用电热干燥箱120℃干燥4小时后装入烧结炉。同时装入烧结炉的还有碳粉加入量3.5倍的金属硅，金属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开。

感应炉通电，在惰性气氛下进行烧结。烧结温度为1950℃，保温1小时。保温后自然降温，冷却后将烧结好的陶瓷片取出。得到相对密度3.08左右的喷嘴。喷嘴耐磨性叫普通反应烧结产品有较大提高。

使用磨加工设备将上述陶瓷产品加工成实验样条、样品进行性能测试，测试数据见下表。

序号	性能参数	单位	测试结果
				1	密度	g/cm³	3.08~3.12
2	硬度	Knoop 1000g ,GPa	20~24.5
				3	抗压强度	MPa	2500
4	弯曲强度	MPa	250
				5	撞击强度	kJ/m²	1.0
6	弹性模量	GPa	360
				7	断裂韧性K_IC	MPa m^1/2	≥4
8	吸水率	%	0.0
				9	最高工作温度	℃	1380
10	声速	m/s	11,000
				11	热导系数	W/m.K(20 ℃)	100
12	耐热震性	^T,0C	400
				13	热膨胀系数	10^-6/℃	4.3
14	比热	J/(kg.K)	700

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，将碳粉和碳化硅粉的混合物作为原料与金属硅一起进行反应烧结制得的碳化硅防弹陶瓷材料，所述碳粉和碳化硅粉的混合物中碳粉的质量百分比为3~60%，其余为碳化硅粉，所述金属硅的加入量是碳粉质量的2.3~6倍。

2.根据权利要求1所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的质量百分比为5~50%。

3. 根据权利要求1所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述金属硅的加入量是碳粉质量的3~5倍。

4. 根据权利要求1所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅为绿碳化硅，粒度范围是60~2000目。

5. 根据权利要求1所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的比表面积是5~500m²/g。

6. 根据权利要求4所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅的粒度范围是100~1200目。

7. 根据权利要求5所述的碳化硅防弹陶瓷材料，其特征在于，所述碳粉的比表面积是50~300 m²/g。

8. 如权利要求1-7任一项所述的碳化硅防弹陶瓷材料的制备方法，其特征在于，将碳粉和碳化硅粉按比例加入到混料机中，加适量结合剂混料，将混好的原料通过筛分除去过大和过小的颗粒，将余下的粒径均匀的原料加入到模具中在油压机中成型，压制成型后的生坯经过干燥固化，然后放入烧结炉，按比例加入金属硅在惰性气氛下进行烧结，烧结温度为1400~2400℃，保温时间为0.5~8小时，保温结束后缓慢降温。

9. 根据权利要求8所述的碳化硅防弹陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的碳化硅粉采用不同粒径的组合物。

10. 根据权利要求8所述的碳化硅防弹陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的结合剂为汽油橡胶、酚醛树脂、PVA、羟甲基纤维素或石蜡。