CN105272268A - 超硬陶瓷防弹片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防弹性能优异的超硬陶瓷防弹片及其制备方法，由以下重量百分比的原料制成：主陶瓷相70%～92%、助烧剂8%～30%，主陶瓷相为立方氮化硼和金刚石中的一种或两种的混合物，其制备方法包括下列步骤：1）将主陶瓷相和助烧剂按比例混合制成复合粉体；2）将步骤1）所得复合粉体在3～6万个大气压下、温度为1200～1900℃下烧结8～25min即得，将立方氮化硼和/或金刚石与石墨烯、碳纤维、金属及其化合物，稀土氧化物中的任意一种或其组合进行复配后，烧结条件变得温和，所需的烧结温度为1200～1900℃、烧结压力为3～6万个大气压，所得陶瓷防弹片具有较高的硬度、断裂韧性、抗弯强度和抗冲击韧性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种防弹性能优异的超硬陶瓷防弹片及其制备方法。
背景技术
现有的陶瓷复合防弹板主要由防弹背板以及设于防弹背板上的多块防弹陶瓷块构成，虽然现有陶瓷复合防弹板的性价比很高，但是这种陶瓷复合防弹板至少还存在着如下几个问题：第一，现有陶瓷复合防弹板的整体重量普遍偏高；第二，在现有的陶瓷复合防弹板中，防弹陶瓷块之间的结合处防弹性能十分薄弱；第三，现有陶瓷复合防弹板的防弹原理是依靠增大子弹侵彻阻力来达到防弹目的的，这一防弹原理限制了现有陶瓷复合防弹板的整体性能偏低。
碳化硼属于新兴材料，成本较高，碳化硅和氧化铝原料获得比较容易，但是其性能相对较差。金刚石和立方氮化硼材料属于超硬材料，近年来超硬材料发展十分迅猛，使得原本非常昂贵的材料变得价格很亲民，而其性能又非常优越，这就使其在陶瓷防弹片领域有很大的发展空间。然而，TakashiTaniguchi等的研究表明，纯立方氮化硼或者金刚石的烧结压力在7.7万个大气压，烧结温度2000℃，烧结条件极为苛刻。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种超硬陶瓷防弹片，同时提供该超硬陶瓷防弹片的制备方法是本发明的第二个发明目的。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超硬陶瓷防弹片，由以下重量百分比的原料制成：主陶瓷相70%～92%、助烧剂8%～30%，所述主陶瓷相为立方氮化硼和金刚石中的一种或两种的混合物。
所述助烧剂选自石墨烯、碳纤维、金属及其化合物和稀土氧化物中的一种或两种以上的混合物。
所述金属选自钴、钨、镍、铜、铝和钛中的一种或两种以上的混合物。
所述金属化合物选自碳化钨、氮化铝、氮化钛、碳化钛和碳氮化钛中的一种或两种以上的混合物。
所述立方氮化硼的粒度为0.01～25μm；所述金刚石的粒度为0.05～25μm；所述助烧剂的粒度为0.05～7μm。
该超硬陶瓷防弹片的制备方法，包括下列步骤：
步骤1）、将主陶瓷相和助烧剂按比例混合制成复合粉体；
步骤2）、将步骤1）所得复合粉体在3～6万个大气压下、温度为1200～1900℃
下烧结8～25min，即得所述陶瓷防弹片。
本发明的陶瓷防弹片，合成的形状为规则柱状，如圆柱、三棱柱、四棱柱、
六棱柱等，柱体上端为凸面。
本发明采用的助烧剂是为了降低烧结温度，提高产品性能的均匀性和抗弯强度，不同的助烧剂各自有存在着不同的特点。
石墨烯和碳纤维：它们主要的特点是其结构上的二维片状和一维线性材料使其在陶瓷烧结过程中有降低密度、提高韧性的作用。
金属及其化合物：主要特点是熔点较低，降低烧结温度。
稀土氧化物：1）良好的表面活性物质，可改善材料间的润湿性，降低烧结温度；2）促进反应的进行，易于形成低熔点液相，并通过颗粒间的毛细管作用，促使颗粒间物质的空隙处填充，使材料孔隙率降低，致密度提高；3）稀土氧化物离子半径较B、N原子大得多，难以形成固溶，因此易于分布在晶界处。阻碍离子迁移，降低晶界迁移率，抑制晶粒生长。
与现有工艺相比，本发明的有益效果为：
1）、本发明的陶瓷防弹片，将立方氮化硼和/或金刚石与、石墨烯、碳纤维、金属及其化合物、稀土氧化物中的任意一种或其组合进行复配后，烧结条件变得温和，所需的烧结温度为1200～1900℃、烧结压力为3～6万个大气压，同时所得的陶瓷防弹片具有较高的硬度、断裂韧性、抗弯强度和抗冲击韧性。
2）、烧结时，其烧结条件温和，所需的烧结温度为1200～1900℃、烧结压
力为3～6万个大气压，整体工艺简单，合成时间短，8～25min即可完成，操作方便，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1-7
实施例1-7的陶瓷防弹片各原料的重量百分比及烧结条件见表1所示：
表1实施例1-7中陶瓷防弹片的原料的重量百分比及烧结条件
实施例1-7的陶瓷防弹片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）、将主陶瓷相和助烧剂按比例混合制成复合粉体；
步骤2）、将步骤1）所得复合粉体在表1所示烧结条件下烧结即得所述陶瓷
防弹片。
实施例8
本实施例中，烧结时间为8min。其他同实施例4。
实施例9
本实施例中，烧结时间为16min。其他同实施例4。
实施例10
本实施例中，烧结时间为25min。其他同实施例4。
实施例11
本实施例中，烧结温度为1350℃。其他同实施例4。
实施例12
本实施例中，烧结压力为5万个大气压。其他同实施例4。
实施例13
本实施例中，采用1um的铝置换1um的钨。其他同实施例4。
实施例14
本实施例中，采用50nm石墨烯置换100nm碳纤维。其他同实施例4。
实施例性能测试
对实施例1-14制得的陶瓷防弹片的性能进行测试，其结果见表2所示。
表2实施例1-14制得的陶瓷防弹片的性能测试结果
| 实施例 | 密度g/cm3 | 弯曲强度MPa | 维氏硬度GPa | 断裂韧性MPa.m1/2 |
| 1 | 3.49 | 621 | 31.5 | 4.2 |
| 2 | 3.46 | 607 | 30.6 | 4.7 |
| 3 | 3.44 | 600 | 34.1 | 4.5 |
| 4 | 3.41 | 635 | 35.2 | 7.6 |
| 5 | 3.37 | 542 | 43.3 | 4.3 |
| 6 | 3.49 | 581 | 38.2 | 6.8 |
| 7 | 3.56 | 554 | 24.3 | 6.5 |
| 8 | 3.40 | 554 | 31.4 | 7.1 |
| 9 | 3.42 | 627 | 36.4 | 7.8 |
| 10 | 3.41 | 615 | 35.0 | 7.4 |
| 11 | 3.42 | 621 | 35.7 | 7.5 |
| 12 | 3.40 | 601 | 33.8 | 6.3 |
| 13 | 3.40 | 626 | 34.9 | 7.8 |
| 14 | 3.39 | 630 | 34.1 | 7.7 |
从表2可以看出，实施例1-14所制得的防弹片的性能指标为：密度为3.37～3.56g/cm3，弯曲强度为542～635MPa，维氏硬度24.3～43.3GPa，断裂韧性4.2～7.8MPa.m1/2，整体性能优异，特别适合用于防弹材料，尤其实施例4的体系得到的防弹片性能最为优异。
实施例4中CBN粒度适中，通过添加纳米金刚石可以使得堆积更紧密，以石墨烯为助烧剂时，由于石墨的层片状结构可以提升材料的韧性。
同时本发明还对实施例4所述的体系进行了对比实验，具体见实施例8-14。
对比实施例4、8、9、10，随着烧结时间的延长，密度略有提升，其各项性能都有提升，这主要是反应体系的反应充分、扩散完全、气孔逐渐排除，材料致密性增加，颗粒间反应更完全，连接强度更高。
对比实施例4、11，烧结温度提高，密度略有提升，弯曲强度和断裂韧性略有下降，硬度提升。主要原因是初期温度的提升为原子扩散提供能量，随着温度的提高，原子越过势垒进行扩散，防弹片密度出现增加的趋势，随着温度的进一步提升，颗粒长大，导致孔隙率增大，弯曲强度和断裂韧性出现下降。
对比实施例4、12，压力提升，有利于提高样品的致密度，提高产品的硬度和弯曲强度和断裂韧性。
对比实施例4、13，将钨粉换成铝粉后，由于铝比钨粉密度和硬度低，导致样品密度和硬度略有下降，其他性能变化不大。
对比实施例4、14，将碳纤维换成石墨烯后，由于碳纤维为一维材料，石墨烯为层片状二维材料，其增韧效果相应略有增加，其他性能变化不大。
Claims (6)
1.一种超硬陶瓷防弹片，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：主陶瓷相70%～92%、助烧剂8%～30%，所述主陶瓷相为立方氮化硼和金刚石中的一种或两种的混合物。
2.如权利要求1所述的超硬陶瓷防弹片，其特征在于，所述助烧剂选自石墨烯、碳纤维、金属及其化合物和稀土氧化物中的一种或两种以上的混合物。
3.如权利要求2所述的超硬陶瓷防弹片，其特征在于，所述金属选自钴、钨、镍、铜、铝和钛中的一种或两种以上的混合物。
4.如权利要求2所述的超硬陶瓷防弹片，其特征在于，所述金属化合物选自碳化钨、氮化铝、氮化钛、碳化钛和碳氮化钛中的一种或两种以上的混合物。
5.如权利要求2所述的超硬陶瓷防弹片，其特征在于，所述立方氮化硼的粒度为0.01～25μm；所述金刚石的粒度为0.05～25μm；所述助烧剂的粒度为0.05～7μm。
6.权利要求1-5任一所述的超硬陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1）、将主陶瓷相和助烧剂按比例混合制成复合粉体；
步骤2）、将步骤1）所得复合粉体在3～6万个大气压下、温度为1200～1900℃下烧结8～25min，即得所述陶瓷防弹片。
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