CN103553623B

CN103553623B - 固相烧结碳化硅防弹陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN103553623B
Application number: CN201310507964.0A
Authority: CN
Inventors: 赵文林; 段春雷; 宋伟
Original assignee: NINGXIA MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: NINGXIA MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103553623A

Abstract

本发明涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法，特别是固相烧结碳化硅防弹陶瓷及其制备方法。该碳化硅防弹陶瓷的重量百分比组成为：亚微米级α型碳化硅70‑90%、碳化硼0.1‑5%、树脂4‑20%、有机物粘结剂5‑20%，固相烧结碳化硅防弹陶瓷的密度为3.14‑3.16g/cm³，相对密度为97%‑98%，三点抗弯强度为480‑560Mpa。该固相烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法包括原料混合、喷雾干燥、模压成型、真空烧结。本发明的技术方案具有工艺过程简单、合理，可有效降低生产成本，产品的密度、HRA硬度和三点抗弯为高于现有固相烧结和反应烧结的碳化硅陶瓷性能，同时耐蚀性和表面质量也优于现有的方法生产的产品。

Description

固相烧结碳化硅防弹陶瓷及其制备方法

所属技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法，特别是固相烧结碳化硅防弹陶瓷及其制备方法。

背景技术

目前应用最广的陶瓷防弹材料主要为氧化铝陶瓷，碳化硼陶瓷和碳化硅陶瓷，以及由这几种陶瓷为基体的复合材料。与其他几种材料相比，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，密度低于氧化铝，可以降低防弹衣的重量，同时性能远超氧化铝；虽然碳化硼陶瓷性能优于碳化硅陶瓷，但其生产成本却高于碳化硅陶瓷。

常见碳化硅陶瓷制品以烧结方式的不同可分为反应烧结碳化硅陶瓷和无压固相烧结碳化硅陶瓷。中国专利“一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法”，公开号CN 101967059A和中国专利“一种碳化硅防弹陶瓷材料及其制备方法”，公开号CN 102219519A中所涉及的碳化硅陶瓷均为反应烧结碳化硅，上述两种方法制备的碳化硅防弹陶瓷虽然具有生产工艺简单的优点，但由于其含有大量未完全反应的游离硅，致使其密度、硬度、耐蚀性和机械强度较低，表面质量较差。

目前采用反应烧结生产的碳化硅陶瓷的密度一般在3.05-3.10g/cm³，HRA硬度为90-92，三点抗弯强度为350-400MPa，而采用固相烧结生产的碳化硅陶瓷密度为3.10-3.12g/cm³，HRA硬度为91-93，三点抗弯强度为400-450Mpa。

发明内容

本发明的目的是客服现有技术所存在的缺陷，提供一种内部组织结构的均匀性好、具有良好的机械性能和化学性能、生产工艺简单的固相烧结碳化硅防弹陶瓷及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种固相烧结碳化硅防弹陶瓷，其重量百分比组成为：

亚微米级α型碳化硅70-90%、碳化硼0.1-5%、树脂4-20%、有机物粘结剂5-20%，固相烧结碳化硅防弹陶瓷的密度为3.14-3.16g/cm³，相对密度为97%-98%，三点抗弯强度为480-560Mpa。

上述亚微米级α型碳化硅的粒径为0.50-0.70微米，纯度大于99%。

上述碳化硼的粒径为0.5-2.0微米，纯度大于90%。

上述树脂为丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂中的一种或多种的复配；所述有机粘结剂是聚乙烯醇、糊精、羧甲基纤维素中的一种或多种的复配；上述树脂和有机粘结剂未注明纯度的均为工业级。

一种固相烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

1）原料的混合：按重量百分比将亚微米级α型碳化硅70-90%、碳化硼0.1-5%、树脂4-20%、有机物粘结剂5-20%，放入混料机中加入纯水进行湿法混合，6-48小时后将混合好的料浆过60-120目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行喷雾造粒，喷雾造粒塔的进口温度180-260℃，出口温度60-120℃；造粒后的物料松装密度为0.85-0.92g/cm³，流动性为8-11s/30g；将造粒后的物料过60-120目筛后备用；

3）成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒后的物料装入模具型腔内，在50-200MPa压力进行常温模压成型，得生坯；或将模压成型后的生坯再放入等静压设备中，以200-300MPa压力进行等静压，得二次压制后的生坯；

4）真空烧结：将上述步骤制备出的生坯，放入真空烧结炉中进行烧结后，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品；上述烧结过程中，首先对烧结炉进行抽真空，当真空度达到3-5×10^-2Pa后，向烧结炉内通惰性气体至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃、5-8小时，保温0.5-1小时，从800℃至2000-2300℃、6-9小时，保温1到2小时，之后随炉冷却，降至室温出炉。

于上述亚微米级α型碳化硅的粒径为0.50-0.70微米，纯度大于99%。

上述碳化硼的粒径为0.5-2.0微米，纯度大于90%。

上述树脂为丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂中的一种或任一比例的混合；所述有机粘结剂是聚乙烯醇、糊精、羧甲基纤维素中的一种或任一比例的混合；上述树脂和有机粘结剂未注明纯度的均为工业级。

上述碳化硅防弹陶瓷成品的密度为3.14-3.16g/cm³，相对密度为97%-98%，三点抗弯强度为480-560Mpa。

本发明的技术方案具有以下特点：1、采用高纯度的亚微米级α型碳化硅和碳化硼为主要原料，加入适量的树脂作为碳源，碳源的主要作用是在烧结过程中，使碳化硅表面的二氧化硅形成碳化硅，从而增加产品的表面能，促进碳化硅的烧结。相对于现有技术中的反应烧结碳化硅和无压烧结碳化硅，产品内部没有残留的硅，提高了产品耐强酸强碱的特性。另外，发明采用有机物作为粘结剂，结合无压固相烧结碳化硅技术，制备出的防弹陶瓷产品的密度为3.14-3.16g/cm³，相对密度97%-98%，HRA硬度为94-95，三点抗弯为480-560MPa，高于现有固相烧结和反应烧结的碳化硅陶瓷性能，经中国兵器装备特种产品质量监督检测中心检测，其防弹性能可达到美国司法部标准（NIJ Standard-0101.06）中的Ⅳ级防弹要求，同时耐蚀性和表面质量也优于现有的方法生产的产品；2、混合后的物料采用喷雾造粒的工艺进行干燥、造粒，可有效提高干燥后物料的均用性和流动性，经模压成型和真空烧结后，产品内部组织结构的均匀性大大提高，从而可有效提高防弹陶瓷产品的性能；3、工艺提供工艺过程简单、合理，可有效降低生产成本。

具体实施方式

以100㎏原料生产碳化硅防弹陶瓷为例说明如下。

实施例1：

1）原料的混合：取粒径为0.5微米、纯度为99.1%的α型碳化硅粉末70㎏，粒径为0.5微米、纯度为91%的碳化硼粉末5㎏，丙烯酸树脂20㎏、聚乙烯醇5㎏，将上述原料放入混料机中加纯水，混合6小时后，过60目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行造粒，喷雾造粒塔进口温度260℃，出口温度120℃；将造粒干燥后的物料过60目筛后，得松装密度为0.85g/cm³，流动性为8s/30g的物料；

3）成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒干燥的物料装入模具型腔内，以在50MPa压力进行常温模压预成型，得生坯；将生坯再放入冷等静压设备中，以200MPa压力进行等静压，得二次压制后的生坯。

4）真空烧结：将上述步骤制备出的二次压制后的生坯，放入真空烧结炉中，首先，对烧结炉进行抽真空，当真空度达到3×10^-2Pa后，向烧结炉内通氩气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃5小时，保温0.5小时，从800℃至2300℃9小时，保温1小时，之后随炉冷却，降至室温出炉，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品。

该碳化硅防弹陶瓷的密度为 3.14g/cm³，相对密度为97%，三点抗弯强度为480MPa。

实施例2：

1）原料的混合：取粒径为0.7微米、纯度为99.5%的α型碳化硅粉末90㎏，粒径为2.0微米、纯度为95%的碳化硼粉末0.1㎏，酚醛树脂4㎏、糊精5.9㎏，将上述原料放入混料机中加纯水，混合48小时后，过120目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行造粒，喷雾造粒塔进口温度180℃，出口温度60℃；将造粒后的物料过120目筛后，得松装密度为0.92g/cm³，流动性为11 s/30g的物料；

3）成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒粉装入模具型腔内，以在200MPa压力进行常温模压预成型，得生坯；

4）真空烧结：将上述步骤制备出的生坯，放入真空烧结炉中，首先，对烧结炉进行抽真空，当真空度达到3×10^-2Pa后，向烧结炉内通氦气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃6小时，保温0.5小时，从800℃至2000℃9小时，保温1小时，之后随炉冷却，降至室温出炉，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品。

该碳化硅防弹陶瓷的密度为 3.15g/cm³，相对密度为98%，三点抗弯强度为540MPa。

实施例3：

1）原料的混合：取粒径为0.6微米、纯度为99.3%的α型碳化硅粉末80㎏，粒径为1.0微米、纯度为92%的碳化硼粉末3㎏，聚酰胺树脂7㎏、羧甲基纤维素10㎏，将上述原料放入混料机中加纯水，混合24小时后，过100目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行造粒，喷雾造粒塔进口温度220℃，出口温度90℃；将造粒后的物料过100目筛后，得松装密度为0.9g/cm³，流动性为10s/30g的物料；

3）模压成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒粉装入模具型腔内，以在150MPa压力进行常温模压预成型，得生坯；

4）真空烧结：将上述步骤制备出的生坯，放入真空烧结炉中，首先，对烧结炉进行抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa后，向烧结炉内通氮气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃8小时，保温1小时，从800℃至2250℃6小时，保温2小时，之后随炉冷却，降至室温出炉，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品。

该碳化硅防弹陶瓷的密度为 3.15g/cm³，相对密度为98%，三点抗弯强度为560MPa。

实施例4：

1）原料的混合：取粒径为0.6微米、纯度为99.2%的α型碳化硅粉末75㎏，粒径为1.5微米、纯度为91%的碳化硼粉末0.1㎏，环氧树脂4.9㎏、聚乙烯醇和羧甲基纤维素各10㎏，将上述原料放入混料机中加纯水，混合12小时后，过100目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行造粒，喷雾造粒塔进口温度240℃，出口温度100℃；将造粒后的物料过100目筛后，得松装密度为0.91g/cm³，流动性为11s/30g的物料；

3）模压成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒粉装入模具型腔内，以在100MPa压力进行常温模压预成型，得生坯；将生坯再放入冷等静压设备中，以300MPa压力进行等静压，得二次压制后的生坯。

4）真空烧结：将上述步骤制备出的二次压制后的生坯，放入真空烧结炉中，首先，对烧结炉进行抽真空，当真空度达到4×10^-2Pa后，向烧结炉内通氩气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃、6小时，保温0.6小时，从800℃至2000℃、8小时，保温1.5小时，之后随炉冷却，降至室温出炉。在2250℃下进行真空烧结，冷却、检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品。

该碳化硅防弹陶瓷的密度为 3.14g/cm³，相对密度为97.5%，三点抗弯强度为550MPa。

实施例5：

1）原料的混合：取粒径为0.6微米、纯度为99.2%的α型碳化硅粉末78㎏，粒径为1.5微米、纯度为91%的碳化硼粉末1.0㎏，丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂各2㎏、糊精6㎏、羧甲基纤维素7㎏，将上述原料放入混料机中加纯水，混合36小时后，过100目筛；

2）喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行造粒，喷雾造粒塔进口温度240℃，出口温度100℃；将造粒后的物料过100目筛后，得松装密度为0.89g/cm³，流动性为11s/30g的物料；

4）真空烧结：将上述步骤制备出的二次压制后的生坯，放入真空烧结炉中，首先，对烧结炉进行抽真空，当真空度达到4×10^-2Pa后，向烧结炉内通氩气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃6小时，保温0.6小时，从800℃至2000℃8小时，保温1.5小时，之后随炉冷却，降至室温出炉。

该碳化硅防弹陶瓷的密度为 3.14g/cm³，相对密度为97.6%，三点抗弯强度为540MPa。

Claims

1.一种固相烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)原料的混合：按重量百分比将亚微米级α型碳化硅70-90％、碳化硼0.1-5％、树脂4-20％、有机粘结剂5-20％，放入混料机中加入纯水进行湿法混合，6-48小时后将混合好的料浆过60-120目筛，所述亚微米级α型碳化硅的粒径为0.50-0.70微米，纯度大于99％，所述碳化硼的粒径为0.5-2.0微米，纯度大于90％；

2)喷雾造粒：将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行喷雾造粒，喷雾造粒塔的进口温度180-260℃，出口温度60-120℃；造粒后的物料松装密度为0.85-0.92g/cm³，流动性为8-11s/30g；将造粒后的物料过60-120目筛后备用；

3)成型：根据所需制品形状选取模具，将上述造粒后的物料装入模具型腔内，在50-200MPa压力进行常温模压成型，得生坯；或将模压成型后的生坯再放入等静压设备中，以200-300MPa压力进行等静压，得二次压制后的生坯；

4)真空烧结：将上述步骤制备出的生坯，放入真空烧结炉中进行烧结后，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品；上述烧结过程中，首先对烧结炉进行抽真空，当真空度达到3-5×10^-2Pa后，向烧结炉内通惰性气体至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃、5-8小时，保温0.5-1小时，从800℃至2000-2300℃、6-9小时，保温1到2小时，之后随炉冷却，降至室温出炉。

2.根据权利要求1所述的一种固相烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法，其特征在于上述树脂为丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂中的一种或任一比例的混合；所述有机粘结剂是聚乙烯醇、糊精、羧甲基纤维素中的一种或任一比例的混合；上述树脂和有机粘结剂未注明纯度的均为工业级。

3.根据权利要求2所述的一种固相烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法，其特征在于上述碳化硅防弹陶瓷成品的密度为3.14-3.16g/cm³，相对密度为97％-98％，三点抗弯强度为480-560MPa。