CN105777133A - 一次性成型多曲面整体防弹板材的制备法及专用模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一次性成型多曲面整体防弹板材的专用模具，该专用模具包括上冲头(2)、下冲头(3)、外模(4)和塞块(5)；在外模(4)内设置有模腔(41)；模腔(41)与外模(4)的两端均相连通，在外模(4)的顶部设置用于加料的开口(42)，开口(42)与塞块(5)的形状相吻合；模腔(41)与开口(42)相连通；上冲头(2)与半自动卧式压机的上模板相连，下冲头(3)与半自动卧式压机的下模板相连，在上、下模板的带动下，上冲头(2)、下冲头(3)可实现进出模腔(41)。本发明还同时提供了利用上述专用模具的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法。

Description

一次性成型多曲面整体防弹板材的制备法及专用模具

技术领域

本发明涉及一种一次性成型陶瓷材料多曲面整体防弹板材。

背景技术

在军事、国防等领域，防弹板材均被广泛应用。防弹板材包括防弹胸板、护肩板、护膝板等等，这些防弹板材的利用，能够有效降低在危险场合下人体重要部位受伤害的几率。因此，防弹板材的设计与生产是当今一个热点。碳化硅、氧化铝、碳化硼等陶瓷材料均可作为防弹板材应用。

目前市场上的防弹板材多采用六边形的小块拼接而成，六边形防弹片的尺寸精度高、棱边棱角需保持锐角，拼接粘合时操作复杂、技术难度相对高、加工成本增加、生产效率低下。同时由于是多块六边形拼接而成，接缝处存在安全隐患，会出现防弹盲区。而整体双弧形防弹板材，是一整块双弧形陶瓷板，结构均匀致密，没有接缝，能够有效克服六边形防弹片拼接出现的防弹盲区。

目前，国内外整体双弧形陶瓷防弹胸板的成型方法主要有干压成型、注浆成型、等静压成型、水基凝胶注膜成型和挤出压铸成型。

传统的干压成型法无法保证弧形冲头间粉料的均布，导致坯体压缩比不一致、厚度和密度不均匀、产品开裂严重等问题。只能采用二次成型法，即首先压制平行的多边形预压坯片，然后再放入带弧形的模具中，二次整形压制，工序繁杂、生产效率低，不宜批量化生产。

注浆成型法的优点在于可以制备大尺寸、形状复杂的产品，缺点在于使用石膏模具时，靠近石膏模的一端，由于吸附力大，排列致密且规整；在远离石膏模的中心位置，由于吸附力衰减，排列疏松，会出现“夹心”等问题。

等静压成型法适合于制备单曲面，将等静压压制的圆筒后从中间切开两半，设备要求高，操作困难，成型后坯体切割容易造成边角缺损，且生产效率低下，不适合批量化生产。

申请号201110088420.6的发明《整体弧形大尺寸氧化铝防弹陶瓷板及其模具》，采用水基料浆凝胶注模成型法制备整体弧形大尺寸氧化铝防弹胸板，在料浆中加入有机物，在加热过程中，均匀分布的有机物可以将产品均匀固化，产品密度分布均匀，尺寸精确，表面光洁，此方法对模具要求不高，玻璃、塑料、金属、蜡等均可作为模具，然而它的缺点就是加工周期长，过程繁琐，加工成本高。

申请号201310578740.9的发明《一种整体式碳化硅陶瓷防弹板及其制造方法》，首先使用挤出成型工艺挤出防弹板湿坯，再压制成型为带有曲面形状的素坯，烘干后进行高温烧结，这种方法制备的素坯水分含量高，烘干过程容易出现变形，成品烧结密度较低，而且制备工艺繁琐，生产效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种一次性干压成型陶瓷材料多曲面整体防弹板材的制备方法及相应的专用模具。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种一次性成型多曲面(例如双弧形)整体防弹板材的专用模具，该专用模具包括上冲头、下冲头、外模和塞块；

在外模内设置有模腔；所述模腔与外模的两端均相连通，在外模的顶部设置用于加料的开口，所述开口与塞块的形状相吻合；模腔与开口相连通；

外模的模腔用于安装上冲头和下冲头，上冲头和下冲头可以在模腔内自由移动；

所述模腔、上冲头、下冲头的横截面形状相一致；

上冲头、下冲头分别位于模腔的两端，所述上冲头与半自动卧式压机的上模板相连，下冲头与半自动卧式压机的下模板相连，在上、下模板的带动下，上冲头、下冲头可实现进出模腔。

作为本发明的一次性成型多曲面陶瓷防弹板的专用模具的改进：

上冲头与模腔之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)；

下冲头与模腔之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)；

塞块与开口之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)。

作为本发明的一次性成型多曲面陶瓷防弹板的专用模具的进一步改进：

上冲头、下冲头、外模、塞块均由工具钢加工而成。

本发明还同时提供了一种一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，包括以下步骤：

1)、粉料制备：

在100份陶瓷微粉(D₅₀中位径为0.5μm)中加入1～9份(较佳为7～9份)烧结助剂、0.2～5份粘结剂和1～5份(较佳为3份)润滑剂，以此作为基础料，上述份为重量份；粘结剂为质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液；润滑剂为油酸、甘油中的至少一种；

将基础料和60～80份(重量份)的去离子水加入球磨机内，混合均匀后进行喷雾干燥，得陶瓷喷雾造粒粉(水分含量约为1～1.5％)，将陶瓷喷雾造粒粉装在密封容器(例如塑料袋)中，在室温下密封陈腐4～6天(较佳为5天)，得陈腐后粉料；

2)、压制成型：

设定上冲头和下冲头之间的距离为10～30mm(可根据产品的厚度和粉料的压缩比进行调节)，压力设定为15～40Mpa(根据素坯的密度确定所需压力)；

向模腔内装填步骤1)所得的陈腐后粉料；待模腔内填满陈腐后粉料后，将塞块装入开口内；向上冲头、下冲头分别施加压力，上冲头与下冲头相对而成(面对面移动)，从而将模腔内的陈腐后粉料压制成型，得陶瓷素坯；

设置预压(压力从0到设定压力)时间为18～22s(较佳为20s)，保压(保持设定压力)时间为85～95s(较佳为90s)，然后自动进行泄压，上冲头(2)移开，下冲头(3)将陶瓷素坯从模腔(41)内顶出(缓慢顶出)，设置滞留时间为65～75s(较佳为70s)；

备注说明：滞留时间是指素坯顶出后，压机处于待机状态，没有进行下一步操作所对应的时间；

此时，工人移走压制好的陶瓷素坯；本发明从装填粉料、用M12螺栓压紧塞块、开始启动压制到最后取出陶瓷素坯约仅需6min；

3)、素坯的烘干：

将步骤2)所得的陶瓷素坯放在与素坯的曲面相吻合的石墨拖上(以控制干燥烧结时的变形)，在95～105℃(较佳为100℃)保温1h，升温至115～125℃(较佳为120℃)保温2h，然后自然降温冷却至室温；

4)、烧结：

将步骤3)所得的烘干后素坯连同石墨拖放置在方形石墨坩埚内，盖好石墨盖子，于600～900℃保温1～3h进行排蜡，排蜡完后以45～55℃/h升温至1900～2200℃，保温0.5～3h进行烧结(从而一次性完成排蜡和高温烧结)；得多曲面整体防弹板材。

作为本发明的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法的改进：

所述石墨拖的制备方法为：

将步骤1)的陶瓷微粉改成石墨粉，其余按照步骤1)和步骤2)进行，得石墨素坯；所述石墨素坯的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合；

将石墨素坯于预烧炉中以100～150℃/h升温至850～950℃，保温1h进行排蜡，将排蜡好的素坯放入呋喃树脂中浸渍(可于反应釜内进行)，浸渍时间为50～60min(所述浸渍过程中必须保证素坯始终被呋喃树脂所浸没)，然后在高温炉中以180～220℃/h升温至2150～2250℃，保温1.5～2h进行石墨化处理，石墨化处理完后随炉冷却至室温，然后再重复一次上述浸渍和石墨化处理，得两浸两焙石墨化处理后的石墨拖。

作为本发明的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法的进一步改进：

所述步骤1)中，

陶瓷微粉为碳化硅、氧化铝、或碳化硼；

当陶瓷微粉为碳化硅时，烧结助剂为B₄C、C；

当陶瓷微粉为氧化铝时，烧结助剂为SiO₂、CaO；

当陶瓷微粉为碳化硼时，烧结助剂为SiC、C。

作为本发明的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法的进一步改进：

所述步骤1)中的喷雾干燥为：设置进口温度为250℃，出口温度为120℃。另，控制雾化盘转速为6000r/min，料泵调速为20HZ。

作为本发明的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法的进一步改进：

所述步骤3)中，一个石墨拖的垂直方向上放置5～10块陶瓷素坯，陶瓷素坯之间用柔性石墨纸隔开。

在本发明中，步骤2)的压制成型具体为：

将本发明的专用模具安装到卧式半自动压机上，根据产品要求的厚度，调整前后两冲头的间距，确定装料量，设定预压、保压等程序，自动压制，从而使素坯各部位厚度公差<0.4mm。

将专用模具的相应部件安装在卧式半自动压机上，采用点动式操作调节压机的运行行程，例如可调整上冲头行程距离为200mm，下冲头的行程距离为80mm，便于移走素坯，根据产品的厚度，计算好素坯厚度，根据素坯的厚度和粉料的压缩比，调节上冲头和下冲头之间的距离为10～30mm之间，上下冲头之间的距离固定好后，通过外模上端的加料口开始垂直竖式加入粉料，同时用小型振动棒搅动，待模具内腔填充满粉料后，刮平加料口上端的粉料，垂直方向将塞块压入外模上端加料口，用M12螺栓压紧塞块，上冲头侧向加压，设置预压时间为20s，保压时间为90s，然后自动进行泄压，下冲头移开，上冲头将素坯缓慢顶出，设置滞留时间为70s，工人移走压制好的素坯，约6min压制一块素坯，用千分尺检测四角和中间的厚度，公差小于0.4mm，用阿基米德法检测素坯密度为理论密度的60％，即可进行批量压制。

本发明所用石墨拖为与陶瓷素坯弧度相吻合的石墨拖，该石墨拖是采用车削石墨下脚料(石墨粉)中添加烧结助剂、粘结剂和润滑剂，喷雾造粒后，按照上述压制工艺压制成素坯，然后在预烧炉中排蜡，两浸两焙高温石墨化处理后使用。

本发明所得的产品可按照如下方式进行成品检验：根据产品图纸要求，检验产品实际尺寸；检验密度是否达到要求；检验硬度是否满足需求；不允许有裂纹等缺陷。

本发明针对现有工艺繁琐、不环保、产品质量不稳定、成本高、无法大规模连续生产等问题，采用大吨位卧式液压机，立式放置模具、垂直喂料、侧向加压，很好地控制了素坯压缩比的一致性。本发明克服了传统干压生产工艺中粉料布料无法均匀、压缩比严重不一致，导致的坯体密度梯度过大、产品开裂、合格率低和生产效率低的弊端。实现了半自动化一次压制成型的生产技术，产品合格率可达98％，是传统压制工艺生产效率的5-10倍，极大的节省人力，为大批量产业化生产高质量整体防弹板材奠定了基础，此方法可以生产厚度4-15mm的多曲面陶瓷防弹板材，产品整体结构均匀，烧结密度高，弧形成型好。

附图说明

图1为本发明的一种双弧形整体陶瓷防弹板的一种示意图；

图2为本发明的一种专用模具的上冲头示意图；

图3为本发明的一种专用模具下冲头示意图；

图4为本发明的一种专用模具外模示意图；

图5为本发明的一种专用模具塞块示意图；

图6为本发明的一种专用模具正面组装示意图；

图7为本发明的一种专用模具侧面组装剖视图；

图8为本发明的一种专用模具垂直装填粉料示意图；

图9为本发明的一种专用模具垂直装填好粉料、压紧塞块、垂直立式放置示意图；

图10为对比例1的一种专用模具垂直填好粉料、压紧塞块、水平放置示意图；

图11为对比例2的一种专用模具压紧塞块、水平放置、水平装填粉料示意图；

图12为对比例2的一种专用模具压紧塞块水平放置、水平装填好粉料、装载好上冲头示意图。

具体实施方式

实施例1、一次性成型多曲面整体防弹板材的专用模具，该专用模具包括上冲头2、下冲头3、外模4和塞块5；

在外模4内设置有模腔41；模腔41与外模4的两端均相连通，在外模4的顶部设置用于加料的开口42，开口42与塞块5的形状相吻合；模腔41与开口42相连通；外模4的模腔41用于安装上冲头2和下冲头3，上冲头2和下冲头3可以在模腔41内自由移动；模腔41、上冲头2、下冲头3的横截面形状相一致。

上冲头2、下冲头3分别位于模腔41的两端，上冲头2与半自动卧式压机的上模板相连，下冲头3与半自动卧式压机的下模板相连，在上、下模板的带动下，上冲头2、下冲头3可实现进出模腔41。

在外模4的顶端机加工有两个M12的螺母，用于安装塞块5；

上冲头2与模腔41之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)；下冲头3与模腔41之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)；塞块5与开口42之间的间隙为0.04～0.06mm(较佳为0.05mm)。

上冲头2、下冲头3、外模4、塞块5均由工具钢加工而成。

结合图6和图7可以看出，该套模具立式进行安装，中间的腔体(即模腔41)用于装填粉料6。

该专用模具使用时垂直竖式安装在卧式半自动压机的模架上，该模架上从上至下依次设有上模板、中模板和下模板；上冲头2通过螺母与上模板固定相连；外模4与中模板固定相连；下冲头3通过螺母与下模板固定相连。

上模板沿着模架滑动，从而控制上冲头2进行相应移动；下模板沿着模架滑动，从而控制下冲头3进行相应运动，中模板与模架固定相连，不能移动。

以下实施例2～实施例3均采用上述实施例1制备而得的专用模具。

实施例2：一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法(即，制备无压烧结碳化硅防弹板材)，依次进行以下步骤：

(1)粉料制备：

以5份纳米碳黑(D₅₀为250nm)，2份碳化硼微粉(D₅₀为1.2μm)作为烧结助剂；

在100份碳化硅微粉，D₅₀(中位径)为0.5μm中加入上述烧结助剂、溶液质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液5份，油酸3份，60份去离子水依次加入球磨机内，球磨搅拌(转速为50r/min)5h，混合均匀后进行喷雾干燥，进口温度为250℃，出口温度为120℃，雾化盘转速为6000r/min，料泵调速为200r/min，所得的喷雾造粒粉过100目筛，检测水分，水分控制为1.0-1.5％。

将该陶瓷喷雾造粒粉装在密封容器(例如塑料袋)中，在室温下密封陈腐5天，得陈腐后粉料。

(2)压制成型：

将专用模具竖式安装在卧式自动压机，压机吨位为1000吨，烧结5mm的产品，素坯高度需要压制6mm(素坯烧结收缩率为约16.67％)，根据粉料与素坯压缩比(2:1)，调节好上冲头2和下冲头3之间的距离为12mm(上冲头2和下冲头3位于模腔41内的两端)，如图7所示，卸下外模4上方的塞块5，用加料漏斗垂直竖式加入粉料6，如图8所示，同时用小型振动棒插入两冲头之间搅动，待模具内腔(即，模腔41)填充满粉料6后，刮平加料口(即开口42)上端的粉料6，垂直方向将塞块5压入外模4上端的加料口，用M12螺栓压紧塞块如图9所示，设置压力30MPa，预压时间为20s，保压时间为90s，然后自动进行泄压，上冲头2移开，下冲头3将陶瓷素坯(简称素坯)缓慢顶出，设置滞留时间为70s，工人移走压制好的陶瓷素坯后，用千分尺检测四周和中间的厚度，厚度为6mm，各点之间的公差均小于0.4mm，用阿基米德法检检测素坯密度为1.93g/cm³，检验合格后批量进行压制，一个工人1h即可压制10件素坯。

(3)素坯的烘干：

将步骤(2)所得的陶瓷素坯装入专用石墨拖上(该专用石墨拖的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合)，一个石墨拖上放置10件陶瓷素坯，陶瓷素坯之间用柔性石墨纸隔开，在100℃保温1h，升温至120℃保温2h，然后降温冷却至室温。

上述专用石墨拖的制备方法为：

将步骤(1)的碳化硅微粉改成石墨粉，其余按照步骤(1)和步骤(2)进行，得石墨素坯；所述石墨素坯的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合；

将石墨素坯于预烧炉中以100～150℃/h升温至900℃，保温1h进行排蜡，将排蜡好的素坯放入呋喃树脂中浸渍(可于反应釜内进行)，浸渍时间为50～60min(所述浸渍过程中必须保证素坯始终被呋喃树脂所浸没)，然后在高温炉中以180～220℃/h升温至2200℃，保温2h进行石墨化处理，石墨化处理完后随炉冷却至室温，然后再重复一次上述浸渍和石墨化处理，得两浸两焙石墨化处理后的石墨拖。

(4)烧结工艺：

把步骤3)所得的烘干好的素坯连同石墨拖放置在方形石墨坩埚内，盖好石墨盖子，装入真空石墨电阻炉，一次性完成排蜡和高温烧结，在600℃保温2h进行排蜡，排蜡后以50℃/h升温至2100℃，保温为1h进行烧结。得碳化硅防弹板材。

(5)成品检验：在坩埚中的各个位置点、每个石墨拖的上下层，抽取12件样品(整体防弹板材)进行检验，用千分尺检验各点厚度，图纸要求要求5±0.1mm，经检测最后点为5.04mm，最薄点为4.98mm，将成品水平放置在与其粘结的PE双弧形板上，吻合度达到要求，抽检的样品厚度和弧形均满足要求。然后用排水法检测密度，密度均在3.14±0.02g/cm³，均满足整体密度要求；

对随机抽取的样品，整体检测密度为3.15g/cm³，在切割机上固定好后，用金刚石砂轮，从长度方向均等割为8等分，然后将毎等份中中间切开，标记号后检测每块的体积密度，进行对比分析，一块整体双弧形防弹板上的每块，最高3.152g/cm³与最低3.148g/cm³，密度差为0.004g/cm³，完全符合要求；

对切割的密度为3.152g/cm³，进行端面抛光腐蚀，检测晶粒尺寸在5-8μm，用硬度仪检测洛氏硬度为92.5，符合要求；

抽检的12只样品经检验全部达到要求，对剩余的产品清洗，检测密度全部达到要求，超声清洗干净，后目测检测开裂情况，全部合格，达到出厂要求，合格率为100％。

实施例3：一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法(即，制备碳化硼陶瓷防弹板材)，依次进行以下步骤：

(1)粉料制备：

以3份纳米碳黑(D₅₀为250nm)，6份碳化硅微粉(D₅₀为1μm)作为烧结助剂；

在100份碳化硼微粉，D₅₀(中位径)为0.7μm中加入上述烧结助剂，溶液质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液5份，甘油1份、油酸2份，80份去离子水依次加入球磨机内，研磨介质为无压烧结碳化硅圆柱，球磨搅拌10h，混合均匀后进行喷雾干燥，进口温度为250℃，出口温度为120℃，雾化盘转速为6000r/min，料泵调速为200r/min，所得的喷雾造粒粉过100目筛，检测水分，水分控制为1.0-1.5％。

将该陶瓷喷雾造粒粉装在密封容器(例如塑料袋)中，在室温下密封陈腐4天，得陈腐后粉料。

(2)压制成型：

专用模具竖式安装在卧式自动压机，压机吨位为1000吨，烧结5mm的产品，素坯高度需要压制5.8mm(素坯烧结收缩率约为16％)，根据粉料与素坯压缩比(2:1)，调节好上冲头2和下冲头3之间的距离为11.6mm(上冲头2和下冲头3位于模腔41内的两端)，卸下外模4上方的塞块5，用加料漏斗垂直竖式加入粉料6，同时用小型振动棒插入两冲头之间搅动，待模具内腔(即，模腔41)填充满粉料后，刮平加料口(即开口42)上端的粉料，垂直方向将塞块压入外模4上端的加料口，用M12螺栓压紧塞块，设置压力30MPa，预压时间为20s，保压时间为90s，然后自动进行泄压，上冲头2移开，下冲头3将素坯缓慢顶出，设置滞留时间为70s，工人移走压制好的素坯后，用千分尺检测四周和中间的厚度，厚度为5.8mm，各点之间的公差均小于0.4mm，用阿基米德法检检测素坯密度为1.52g/cm³，合格后批量进行压制，一个工人1h可以压制10件素坯。

(3)素坯的烘干：

将步骤(2)所得的陶瓷素坯装入专用石墨拖上(该专用石墨拖的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合)，一个石墨拖上放置10件陶瓷素坯，陶瓷素坯之间用柔性石墨纸隔开，在100℃保温1h，升温至120℃保温2h，然后降温冷却。

上述专用石墨拖的制备方法为：

将步骤(1)的碳化硼微粉改成石墨粉，其余按照步骤(1)和步骤(2)进行，得石墨素坯；所述石墨素坯的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合；

将石墨素坯于预烧炉中以100～150℃/h升温至900℃，保温1h进行排蜡，将排蜡好的素坯放入呋喃树脂中浸渍(可于反应釜内进行)，浸渍时间为50～60min(所述浸渍过程中必须保证素坯始终被呋喃树脂所浸没)，然后在高温炉中以180～220℃/h升温至2200℃，保温2h进行石墨化处理，石墨化处理完后随炉冷却至室温，然后再重复一次上述浸渍和石墨化处理，得两浸两焙石墨化处理后的石墨拖。

(4)烧结：

把步骤(3)所得的烘干好的素坯连同石墨拖放置在方形石墨坩埚内，盖好石墨盖子，装入真空石墨电阻炉，一次性完成排蜡和高温烧结，在600℃保温2h进行排蜡，排蜡后以50℃/h升温至2200℃，保温为3h进行烧结。得碳化硼陶瓷防弹板材。

(5)成品检验：在坩埚中的各个位置点、每个石墨拖的上下层，抽取12件样品进行检验，用千分尺检验各点厚度，图纸要求要求5±0.1mm，经检测最后点为5.08mm，最薄点为4.95mm，将成品水平放置在与其粘结的PE双弧形板上，吻合度达到要求，抽检的样品厚度和弧形均满足要求。然后用排水法检测密度，密度在2.45±0.02g/cm³之间，均满足整体密度要求；

对随机抽取的样品，整体检测密度为2.46g/cm³，在切割机上固定好后，用金刚石砂轮，从长度方向均等割为8等分，然后将毎等份中中间切开，标记号后检测每块的体积密度，进行对比分析，一块整体双弧形防弹板上的每块，最高2.465g/cm³与最低2.458g/cm³，密度差为0.007g/cm³，完全符合要求；

对切割的密度为2.465g/cm³，进行端面抛光腐蚀，检测晶粒尺寸在7-12μm，用硬度仪检测洛氏硬度为94，符合要求；

抽检的12只样品经检验全部达到要求，对剩余的产品清洗，检测密度全部达到要求，超声清洗干净，后目测检测开裂情况，全部合格，达到出厂要求，合格率为100％。

对比例1：

将实施例2中的步骤(2)改为如下：

将该套模具从自动压机上卸载下来，在1000吨的垂直四柱液压机上进行人工操作压制，压制5mm的成品，素坯高度需要压制6mm，根据粉料与素坯压缩比(2:1)，先将下冲头3安装在外模4，然后装上上冲头2，调节好上冲头2和下冲头3之间的距离为12mm，卸下外模4上方的塞块5，用加料漏斗垂直竖式加入粉料6，同时用小型振动棒插入两冲头之间搅动，待模具内腔填充满粉料后，刮平加料口上端的粉料，垂直方向将塞块压入外模上端加料口，用M12螺栓压紧塞块如图9，然后将组装好的模具水平放置如图10，压机通过上冲头2加压，设置压力30MPa，预压时间为20s，保压时间为90s，然后脱模，用千分尺检测四周和中间的厚度，中间位置厚度为6.2mm，四周的厚度为6.15mm，各点厚度均匀一致，符合素坯质量要求，由于模具笨重，加料时需要将模具垂直放置如图8，加压时需要将模具水平放置如图10，靠人工装模、脱模，3个工人1h不停操作只可以压制4片，相比较卧式半自动压机，1个工人1h可以轻松压制10片，效率急剧下降，工作强度大。

对比例2：

将实施例2中的步骤(2)改为如下：将该套模具从自动压机上卸载下来，在1000吨的垂直四柱液压机上进行压制，先将下冲头3水平放置的压机台面上，装好外模4，在模腔内根据素坯重量将称量好粉料装入模腔，粉料6装好后用水平尺刮平如图11，然后装上上冲头2，如图12，在上冲头2加压，设置压力30MPa，预压时间为20s，保压时间为90s，然后脱模，用千分尺检测四周和中间的厚度，厚度为6.5mm，四周厚度为5.8mm，各点之间的公差均大于0.4mm，由于粉料填充后，中间位置粉料的高度较高，后续压制过程很难将粉料挤压布匀，导致中间坯体中间位置厚，周围较薄，素坯厚度不均匀，从而导致素坯密度不均匀，烧结后产品出现严重变形，不能进行使用。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一次性成型多曲面整体防弹板材的专用模具，其特征是：所述专用模具包括上冲头(2)、下冲头(3)、外模(4)和塞块(5)；

在外模(4)内设置有模腔(41)；所述模腔(41)与外模(4)的两端均相连通，在外模(4)的顶部设置用于加料的开口(42)，所述开口(42)与塞块(5)的形状相吻合；所述模腔(41)与开口(42)相连通；

外模(4)的模腔(41)用于安装上冲头(2)和下冲头(3)，上冲头(2)和下冲头(3)可以在模腔(41)内自由移动；

所述模腔(41)、上冲头(2)、下冲头(3)的横截面形状相一致；

上冲头(2)、下冲头(3)分别位于模腔(41)的两端，所述上冲头(2)与半自动卧式压机的上模板相连，下冲头(3)与半自动卧式压机的下模板相连，在上、下模板的带动下，上冲头(2)、下冲头(3)可实现进出模腔(41)。

2.根据权利要求1所述的一次性成型多曲面陶瓷防弹板的专用模具，其特征是：

上冲头(2)与模腔(41)之间的间隙为0.04～0.06mm；

下冲头(3)与模腔(41)之间的间隙为0.04～0.06mm；

塞块(5)与开口(42)之间的间隙为0.04～0.06mm。

3.根据权利要求1或2所述的一次性成型多曲面陶瓷防弹板的专用模具，其特征是：

上冲头(2)、下冲头(3)、外模(4)、塞块(5)均由工具钢加工而成。

4.一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)、粉料制备：

在100份陶瓷微粉中加入1～9份烧结助剂、0.2～5份粘结剂和1～5份润滑剂，以此作为基础料，上述份为重量份；粘结剂为质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液；润滑剂为油酸、甘油中的至少一种；

将上述基础料和60～80份的去离子水加入球磨机内，混合均匀后进行喷雾干燥，得陶瓷喷雾造粒粉，将陶瓷喷雾造粒粉装在密封容器中，在室温下密封陈腐4～6天，得陈腐后粉料；

2)、压制成型：

设定上冲头(2)和下冲头(3)之间的距离为10～30mm，压力设定为15～40Mpa；

向模腔(41)内装填步骤1)所得的陈腐后粉料；待模腔(41)内填满陈腐后粉料后，将塞块(5)装入开口(42)内；向上冲头(2)、下冲头(3)分别施加压力，上冲头(2)与下冲头(3)相对而成，从而将模腔(41)内的陈腐后粉料压制成型，得陶瓷素坯；

设置预压时间为18～22s，保压时间为85～95s，然后自动进行泄压，上冲头(2)移开，下冲头(3)将陶瓷素坯从模腔(41)内顶出，设置滞留时间为65～75s；

3)、素坯的烘干：

将步骤2)所得的陶瓷素坯放在与陶瓷素坯的曲面相吻合的石墨拖上，在95～105℃保温1h，升温至115～125℃保温2h，然后自然降温冷却至室温；

4)、烧结：

将步骤3)所得的烘干后素坯连同石墨拖放置在方形石墨坩埚内，盖好石墨盖子，于600～900℃保温1～3h进行排蜡，排蜡完后以45～55℃/h升温至1900～2200℃，保温0.5～3h进行烧结；得多曲面整体防弹板材。

5.根据权利要求4所述的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是：

所述石墨拖的制备方法为：

将步骤1)的陶瓷微粉改成石墨粉，其余按照步骤1)和步骤2)进行，得石墨素坯；所述石墨素坯的曲面与陶瓷素坯的曲面相吻合；

将石墨素坯于预烧炉中以100～150℃/h升温至850～950℃，保温1h进行排蜡，将排蜡好的素坯放入呋喃树脂中浸渍，浸渍时间为50～60min，然后在高温炉中以180～220℃/h升温至2150～2250℃，保温1.5～2h进行石墨化处理，石墨化处理完后随炉冷却至室温，然后再重复一次上述浸渍和石墨化处理，得两浸两焙石墨化处理后的石墨拖。

6.根据权利要求5所述的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是：

所述步骤1)中，

陶瓷微粉为碳化硅、氧化铝、或碳化硼；

当陶瓷微粉为碳化硅时，烧结助剂为B₄C、C；

当陶瓷微粉为氧化铝时，烧结助剂为SiO₂、CaO；

当陶瓷微粉为碳化硼时，烧结助剂为SiC、C。

7.根据权利要求6所述的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是：

所述步骤1)为以下任意一种：

以5份纳米碳黑(D₅₀为250nm)，2份碳化硼微粉(D₅₀为1.2μm)作为烧结助剂；在100份碳化硅微粉(D₅₀为0.5μm)中加入上述烧结助剂、溶液质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液5份，油酸3份，60份去离子水；

以3份纳米碳黑(D₅₀为250nm)，6份碳化硅微粉(D₅₀为1μm)作为烧结助剂；在100份碳化硼微粉(D₅₀为0.7μm)中加入上述烧结助剂，溶液质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液5份，甘油1份、油酸2份，80份去离子水。

8.根据权利要求4～7任一所述的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是：

所述步骤1)中的喷雾干燥为：设置进口温度为250℃，出口温度为120℃。

9.根据权利要求8所述的一次性成型多曲面整体防弹板材的制备方法，其特征是：

所述步骤3)中，一个石墨拖的垂直方向上放置5～10块陶瓷素坯，陶瓷素坯之间用柔性石墨纸隔开。