CN104446483A - 一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，包括以下步骤：(1)将各种原料按照配方比例放入混料制浆设备，各种原料由固态A料和液态B料组成，所述固态A料包括以下重量百分比的各组分：碳化硼粉75～97wt％，烧结助剂0～15.0wt％，碳源1.0～12.0wt％，粘接剂0.5-6.0wt％，分散剂0.5-6.0wt％，以上各组分重量之和为100％；所述B料为去离子水，所述A料和B料混合球磨或高速搅拌制成浆料，所述浆料的固含量为30～70wt％；所述烧结助剂采用纳米级到微米级ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂中的一种或一种以上；该方法具有单炉产能高、自动化程度高、产品无需磨加工、成本低、适宜批量生产等特点，实现了低成本化批量稳定生产。

Description

一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法

技术领域：

本发明涉及一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法。

背景技术：

在国防领域，防弹陶瓷材料主要有碳化硼(B₄C)、碳化硅(SiC)和氧化铝(Al₂O₃)三种，其中B₄C重量最轻，比模量高，弹道性能好，是综合性能最好的防弹陶瓷材料。但由于长期没有解决无压烧结制备工艺，目前均采用热压烧结法制备，成本和价格十分昂贵。正因为价格昂贵，目前B₄C防弹陶瓷仅有限应用于高端防护市场，如直升机、潜艇、冲锋舟和歼击机等装备的防护系统中。现有的信息表明，目前发达国家在防弹陶瓷产品上已开始普遍使用碳化硼，但是对我国实行严密地封锁。

碳化硼是自然界中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔点、高模量、比重小、自润滑性好、耐磨、耐酸碱腐蚀、耐辐射、吸收中子等特点，是一种综合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端防弹装甲材料、高端液气密封材料、航天航空发动机喷头、高端陶瓷轴承、研磨介质、硬质材料的抛光和精研磨料等方面具有重要应用。另外，碳化硼陶瓷在核电反应堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，是一种重要的国家战略物资。

碳化硼结构中的共价键极强，晶界阻力大，是一种极难烧结陶瓷材料，常规的无压烧结法只能达到80％左右的致密度，所得碳化硼陶瓷性能差，无法满足实用要求。为了提高碳化硼陶瓷的烧结致密度和性能，通常采用热压烧结法和反应烧结法。

热压烧结法是指在高温烧结过程中加载高压，促进碳化硼烧结致密化的方法。热压烧结法所制产品性能好，但自动化程度低、烧结成本高，单炉产能低，难以规模化生产。而且所制产品的所有表面都固结一层石墨纸，需要较大余量的磨加工，尤其对于一些小尺寸、多面体、曲面等形状的产品，磨加工成本极高。

反应烧结法是指以碳和碳化硼等组分形成坯体，在烧结过程中，向坯体内渗入液体或气体的金属Si，部分Si和坯体中的碳反应生成碳化硅，其余的Si渗满坯体内的孔隙，实现致密化。反应碳化硼陶瓷其实是碳化硼、碳化硅和游离硅的复合材料，机械性能较差，难以达到防弹片的性能需要。

在国家专利网上目前公开了一种高韧性无压烧结碳化硼防弹材料及其制备方法，提到了无压碳化硼防弹材料的制备方法，从其技术细节来看，其体系中加入了5-15％酚醛树脂作为粘接剂，将素坯直接放入无压烧结炉中进行烧结。这种制备方法，在小批量实验过程中，并不会出现明显问题。但是加入的酚醛树脂在无压烧结过程中必然发生裂解和挥发。若进行大批量及多次烧结，大量的树脂裂解产物将严重影响无压烧结炉性能，无法保障进行正常烧结。这样就存在以下几个缺点(1)烧结炉内的碳毡等碳质保温层会因大量裂解物的浸蚀，保温性能急剧恶化；(2)真空泵系统因吸入大量粘稠的裂解物，极易卡死，且难以清理，无法保证真空泵稳定工作；(3)在烧结高温阶段，停止抽真空并充入氩气保护烧结，但炉内(具体指碳质保温材料和炉内冷却层内壁)残余的裂解物生成大量气体，引起炉内气压快速升高，导致红外测温系统所测温度数据剧烈波动和偏离，无法获得炉内真实温度。以上三方面是该方法无法避免的重大缺陷，必将导致碳化硼大批量、多批次烧结的失败，无法进行稳定生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片产品，获得了成熟的碳化硼陶瓷防弹片批量化，具有单炉产能高、自动化程度高、产品无需磨加工、成本低、适宜批量生产等特点，实现了低成本化批量稳定生产的无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法。

本发明的技术方案是，提供一种具有以下步骤的无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，包括以下步骤：

(1)将各种原料按照配方比例放入混料制浆设备，各种原料由固态A料和液态B料组成，所述固态A料包括以下重量百分比的各组分：

碳化硼粉75～97wt％，

烧结助剂0～15.0wt％，

碳源1.0～12.0wt％，

粘接剂0.5-6.0wt％，

分散剂0.5-6.0wt％，

以上各组分重量之和为100％；

所述B料为去离子水，所述A料和B料混合球磨或高速搅拌制成浆料，所述浆料的固含量为30～70wt％；

所述烧结助剂采用纳米级到微米级ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂中的一种或一种以上；

(2)将步骤(1)所得浆料，利用喷雾干燥造粒工艺制得造粒料；

(3)将步骤(2)所制造粒料采用自动压机快速批量化压制防弹片素坯；

(4)将步骤(3)所得的防弹片素坯放入脱粘炉内，抽真空，保持炉内真空度为10～1000Pa，在400℃～900℃下保温0.5～4h，脱去水分和有机质，得到防弹片坯体；

(5)将步骤(4)所得防弹片坯体放入真空烧结炉内，抽真空，保持炉内真空度为10～1000Pa，在1800℃以上高温阶段通入惰性保护气体，在2000℃～2200℃保温0.5～2h，随炉冷却，得到无压烧结碳化硼陶瓷防弹片。

步骤(1)中的制浆的设备采用乳化机或快速搅拌机或球磨机。

步骤(1)中的碳化硼粉中B₄C≥95wt％，碳化硼粉的D₅₀≤1.0μm。

步骤(1)中的碳源为纳米炭黑或有机转换碳，碳源中C≥99wt％。

步骤(1)中的粘结剂采用糊精、聚乙烯醇、甲基纤维素中的一种或一种以上。

步骤(1)中的分散剂采用四甲基氢氧化铵、聚乙烯醇缩丁醛、氨水、正辛醇中的一种或一种以上。

采用上述步骤后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的制备方法具有单炉产能高、自动化程度高、产品无需磨加工、成本低、适宜批量生产等特点，且经过近一年批量生产的检验，工艺稳定成熟，相对于现有低效、昂贵的热压烧结工艺具有的明显成本优势。

2.本发明的无压碳化硼陶瓷防弹片的技术成熟，产品致密度和防弹性能好，首次实现了无压碳化硼陶瓷防弹产品的规模化生产技术突破，可大大降低我国国防装备的防护系统成本，促进碳化硼陶瓷防弹片的普及化应用，对提高我国国防装备的整体防护水平具有重要战略意义。

3、由于烧结助剂采用纳米级到微米级ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂等中的一种或一种以上，烧结助剂同时可有效提高产品断裂韧性至3.5-5.0MPa·m^1/2；再由于采用喷雾造粒工艺批量制备流动性好的造粒料，并采用自动压机快速批量化压制防弹片素坯，适应规模化生产需要；

再由于将素坯放入脱粘炉内进行预烧处理，脱除素坯中含有的水分和有机质，避免有机质影响无压烧结过程，保障碳化硼陶瓷批量化稳定生产。

具体实施方式

下面结合对本发明的无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法作进一步说明。

下面通过具体实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

实施例1：

将碳化硼微粉180公斤、硼化钛微粉12公斤、纳米炭黑5.4公斤、四甲基氢氧化铵0.1公斤、糊精1.6公斤，去离子水400公斤，按一定顺序加入混料桶中，利用乳化机高速混料制浆，然后经过喷雾造粒得到造粒料，所得的造粒料采用自动压机，干压成型得到防弹片素坯，将素坯放入脱粘炉内在500℃温度下保温3h脱除水分和有机质，然后放入真空烧结炉中无压烧结，在1800℃以上高温阶段通入惰性保护气体，2100℃保温1h，随炉冷却，即获得无压烧结碳化硼陶瓷防弹片。

该碳化硼陶瓷防弹片密度为2.50g/cm³，弯曲强度415MPa，维氏硬度为30.2GPa，断裂韧性4.8MPa·m^1/2。样品通过7.62mm穿甲燃烧弹实弹射击测试，防弹等级达到NIJ-IV级防护水平。

实施例2：

将碳化硼微粉170公斤、碳化钛微粉23公斤、纳米炭黑4公斤、氨水500ml、聚乙烯醇10公斤，去离子水400公斤，按一定顺序加入球磨机中，球磨制浆，然后经过喷雾造粒得到造粒料，所得的造粒料人工干压成型得到防弹片素坯，将素坯放入脱粘炉内在800℃温度下保温3h脱除水分和有机质，然后放入真空烧结炉中无压烧结，在1800℃以上高温阶段通入惰性保护气体，2120℃保温1h，随炉冷却，即可获得无压烧结碳化硼陶瓷防弹片。

该碳化硼陶瓷防弹片密度为2.51g/cm³，弯曲强度408MPa，维氏硬度为30.0GPa，断裂韧性4.6MPa·m^1/2。样品通过7.62mm穿甲燃烧弹实弹射击测试，防弹等级达到NIJ-IV级防护水平。

Claims (6)

1.一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将各种原料按照配方比例放入混料制浆设备，各种原料由固态A料和液态B料组成，所述固态A料包括以下重量百分比的各组分：

碳化硼粉75～97wt％，

烧结助剂0～15.0wt％，

碳源1.0～12.0wt％，

粘接剂0.5-6.0wt％，

分散剂0.5-6.0wt％，

以上各组分重量之和为100％；

所述B料为去离子水，所述A料和B料混合球磨或高速搅拌制成浆料，所述浆料的固含量为30～70wt％；

所述烧结助剂采用纳米级到微米级ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂中的一种或一种以上；

(2)将步骤(1)所得浆料，利用喷雾干燥造粒工艺制得造粒料；

(3)将步骤(2)所制造粒料采用自动压机快速批量化压制防弹片素坯；

(4)将步骤(3)所得的防弹片素坯放入脱粘炉内，抽真空，保持炉内真空度为10～1000Pa，在400℃～900℃下保温0.5～4h，脱去水分和有机质，得到防弹片坯体；

(5)将步骤(4)所得防弹片坯体放入真空烧结炉内，抽真空，保持炉内真空度为10～1000Pa，在1800℃以上高温阶段通入惰性保护气体，在2000℃～2200℃保温0.5～2h，随炉冷却，得到无压烧结碳化硼陶瓷防弹片。

2.根据权利要求1所述的一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：步骤(1)中的制浆的设备采用乳化机或快速搅拌机或球磨机。

3.根据权利要求1所述的一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：步骤(1)中的碳化硼粉中B₄C≥95wt％，碳化硼粉的D₅₀≤1.0μm。

4.根据权利要求1所述的一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：步骤(1)中的碳源为纳米炭黑或有机转换碳，碳源中C≥99wt％。

5.根据权利要求1所述的一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：步骤(1)中的粘结剂采用糊精、聚乙烯醇、甲基纤维素中的一种或一种以上。

6.根据权利要求1所述的一种无压烧结碳化硼陶瓷防弹片的批量生产方法，其特征在于：步骤(1)中的分散剂采用四甲基氢氧化铵、聚乙烯醇缩丁醛、氨水、正辛醇中的一种或一种以上。