CN107556012B - 一种嵌扣式防弹陶瓷片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种嵌扣式防弹陶瓷片及其制备方法，防弹陶瓷片由40~50%的碳化硅粉末、20~25%的硅粉、18~22%的短切碳纤维以及10~16%的酚醛树脂粉组成；其中，防弹陶瓷片呈凹凸或上下嵌扣式对接而成，既增大了嵌扣结构中的胶粘剂的粘接面积和粘结强度，又增强了陶瓷片之间的接缝强度和刚度；本发明的原料经冷压、热压成型，能够获得高的强度、硬度和良好的耐磨性，是近乎完全致密的烧结体复合陶瓷材料，使用寿命较长，可加工性强。

Description

一种嵌扣式防弹陶瓷片及其制备方法

技术领域

本发明涉及防弹陶瓷技术领域，具体涉及一种嵌扣式防弹陶瓷片及其制备方法。

背景技术

人体和装甲防护在现代高科技战争日益受到重视。防弹材料应具备的特性可概括为：高硬度、高强度、高韧性、低密度。陶瓷材料作为一种先进的高技术材料，因其具有高强度、高硬度、耐腐蚀、高耐磨性和重量轻的特点而被广泛应用于防弹材料中。目前的陶瓷防弹材料通常选用氧化铝、碳化硅、碳化硼和氮化硅，然而，陶瓷材料也存在诸多缺点，如塑性差、断裂强度低且易产生脆性断裂、成型尺寸较小等。这些不足使陶瓷至今仍然不能作为均质装甲单独使用，它在防弹装甲中的应用形式通常是与装甲钢、铝合金等构成复合装甲。即将较硬的陶瓷作面板、具有良好韧性的金属作背板，两者之间通常采用胶粘剂粘接。

防弹陶瓷面板主要采用陶瓷片拼接板方式，防弹陶瓷片一般为正方形、正六边形的具有一定尺寸大小的小块陶瓷片，然后再采用胶粘剂粘接成所需尺寸和大小的防弹陶瓷板，这种拼接方法具有陶瓷变形小、制备柔性大的优点。但陶瓷片之间的接缝形成了易被子弹击穿的弱点，且子弹产生的作用力也会随着接缝散开。

发明内容

本发明为了克服现有技术防弹陶瓷面板存在的缺陷，提供了一种嵌扣式防弹陶瓷片及其制备方法，增强各个防弹陶瓷片连接部位的防弹性能，改善防弹面板的防弹能力。

本发明为了解决上述问题所采用的技术方案为：一种嵌扣式防弹陶瓷片，防弹陶瓷片由以下重量百分数的原料组成：40~50%的碳化硅粉末、20~25%的硅粉、18~22%的短切碳纤维以及10~16%的酚醛树脂粉。

本发明中，所述碳化硅粉末中，碳化硅含量≥99.9%，粒径为10μm≤d₅₀≤20μm；所述硅粉中的硅含量≥99.8%，粒径为2μm≤d₅₀≤10μm；所述酚醛树脂粉的固含量≥50%；所述短切碳纤维的直径为7μm，长度为50~300μm。

本发明中，防弹陶瓷片为正多边形结构，正多边形结构的边棱个数为n，n=4或6。

优选的，防弹陶瓷片呈凹凸嵌扣式对接而成，防弹陶瓷片中的间隔设置的边棱上设有凹型槽，防弹陶瓷片中与凹型槽相邻设置的边棱上设有凸型脊，防弹陶瓷片在对接时，一块防弹陶瓷片设有凹型槽的边棱与另外一块防弹陶瓷片设有凸型脊的边棱通过凹型槽与凸型脊对接嵌扣。

其中，凸型脊与凹型槽之间为间隙配合，且凸型脊与凹型槽之间的间隙中填充胶粘剂。

优选的，防弹陶瓷片呈上下嵌扣式对接而成，防弹陶瓷片的边棱上设有上下分置的凹型槽以及凸出边棱的凸型脊，且凹型槽与凸型脊连通，其中，防弹陶瓷片的间隔设置的边棱中，凹型槽位于凸型脊的上方，使边棱的端面沿其中心线的断面呈L型结构；防弹陶瓷片的剩余的边棱中，凸型脊位于凹型槽的上方，使边棱的端面沿其中心线的断面呈倒L型结构；防弹陶瓷片在对接时，一块防弹陶瓷片中上方设有凹型槽、下方设有凸型脊的边棱与另外一块防弹陶瓷片上方设有凸型脊、下方设有凹型槽的边棱对接嵌扣。

其中，凸型脊与凹型槽对接嵌扣时的接触的端面上均涂抹有胶粘剂。

本发明中，凹型槽、凸型脊分别设在各自所在的防弹陶瓷片中边棱的中间位置。

本发明中，凸型脊的厚度d₁=（1/3~1/2）×D，其中，D为防弹陶瓷片的厚度；凸型脊的宽度d₂=（1.2~1.8）×d₁，凸型脊的长度d₃=（0.5~0.9）×L，L为凸型脊所在的边棱的长度。

一种嵌扣式防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按照所述防弹陶瓷片中原料的重量百分数称取各原料并进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在5~10MPa压力的压力机中预紧10~25s，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为25~35MPa，保压时间为 10~15min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1500~1600℃，并在该温度下保温20~30min，烧结过程中保持烧结压力45~60MPa，保压时间为 40~60min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理。

有益效果：与现有技术相比较，本发明采用嵌扣式防弹陶瓷片结构形式后，相邻的陶瓷片的边棱利用胶粘剂粘接、凹凸或上下结构嵌扣后，既增大了嵌扣结构中的胶粘剂的粘接面积和粘结强度，又增强了陶瓷片之间的接缝强度和刚度；组合后的陶瓷片在使用时，陶瓷片需要压实粘接在防弹背板上，在受到子弹产生的作用力后，陶瓷片之间的接缝不会散开，增强了各个陶瓷片连接部位的防弹性能，改善了防弹面板的防弹能力。

本发明的原料经冷压、热压成型，能够获得高的强度、硬度和良好的耐磨性，是近乎完全致密的烧结体复合陶瓷材料，使用寿命较长，可加工性强。

本发明制备的防弹陶瓷片中，包含碳化硅为主强度相，碳化硅含量为40~50%，含量高的主强度相能够提高陶瓷的力学性能；本发明采用酚醛树脂裂解碳来充当消耗层，以此避免高温时，液硅对短切碳纤维的损伤，提高短切碳纤维对于碳化硅陶瓷材料的补强增韧作用，降低陶瓷的脆性；同时，酚醛树脂会在裂解过程中转化为碳基体，过量的硅与碳基体发生反应从而生成碳化硅基体；另一方面是硅在高温环境下会蒸发，硅蒸汽在流出的过程中将与碳发生气相反应生成碳化硅纳米纤维，碳化硅纳米纤维和短切碳纤维为增强相；其中，碳纤维成均匀分散的三维增强骨架，避免出现分层现象，过量的硅填充于孔隙中，提高陶瓷的致密度。

附图说明

图1为实施例1和实施例2的拼接效果图；

图2为实施例1中两个防弹陶瓷片的拆分示意图；

图3为图2中防弹陶瓷片的示意图；

图4为实施例2中两个防弹陶瓷片的拆分示意图；

图5为图4中的防弹陶瓷片的结构示意图；

图6为实施例3和实施例4的拼接效果图；

图7为实施例3中三个防弹陶瓷片的拆分示意图；

图8和图9均为图7中的防弹陶瓷片的结构示意图；

图10为实施例4中三个防弹陶瓷片的拆分示意图；

图11和图12均为图10中的防弹陶瓷片的结构示意图；

图13为打靶实验后的防弹靶板的正面；

图14为打靶实验后的防弹靶板的背面。

附图标记：1、防弹背板，2、防弹陶瓷片，3、边棱，4、凹型槽，5、凸型脊。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种嵌扣式防弹陶瓷片，防弹陶瓷片由以下重量百分数的原料组成：40~50%的碳化硅粉末、20~25%的硅粉、18~22%的短切碳纤维以及10~16%的酚醛树脂粉。其中，碳化硅粉末中，碳化硅含量≥99.9%，粒径为10μm≤d₅₀≤20μm；所述硅粉中的硅含量≥99.8%，粒径为2μm≤d₅₀≤10μm；所述酚醛树脂粉的固含量≥50%；所述短切碳纤维的直径为7μm，长度为50~300μm。

在应用中，防弹陶瓷片为正多边形结构，正多边形结构的边棱个数为n，n=4或6。

一种嵌扣式防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照权利要求1的重量百分数称取各原料并进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在5~10MPa压力的压力机中预紧10~25s，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为25~35MPa，保压时间为 10~15min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1500~1600℃，并在该温度下保温20~30min，烧结过程中保持烧结压力45~60MPa，保压时间为 40~60min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理。

实施例1

一种嵌扣式防弹陶瓷片，防弹陶瓷片2为正方形结构，各防弹陶瓷片2呈凹凸嵌扣式对接而成。如图2所示，防弹陶瓷片2中的相对设置的边棱3上设有凹型槽，防弹陶瓷片2中与凹型槽4相邻设置的边棱3上设有凸型脊5，防弹陶瓷片2在对接时，一块防弹陶瓷片2设有凹型槽4的边棱3与另外一块防弹陶瓷片2设有凸型脊5的边棱3通过凹型槽4与凸型脊5对接嵌扣。凸型脊5与凹型槽4之间为间隙配合，且凹型槽4、凸型脊5分别设在各自所在的边棱的中间位置，凸型脊5与凹型槽4之间的间隙中填充胶粘剂。

其中，如图3所示，凸型脊5的厚度d₁=1/3×D，其中，D为防弹陶瓷片2厚度；凸型脊5的宽度d₂=（1.6~1.8）×d₁，凸型脊5的长度d₃=（0.6~0.7）×L，L为凸型脊5所在的边棱3的长度。

实施例2

一种嵌扣式防弹陶瓷片，如图4所示，防弹陶瓷片2为正方形结构，防弹陶瓷片2呈上下嵌扣式对接而成。如图5所示，防弹陶瓷片2的边棱3上设有上下分置的凹型槽4以及凸出边棱3的凸型脊5，且凹型槽4与凸型脊5连通，其中，防弹陶瓷片2的相对设置的边棱3中，凹型槽4位于凸型脊5的上方，使边棱3的端面沿其中心线的断面呈L型结构，即该两个边棱呈台阶结构；防弹陶瓷片2的剩余两个边棱3中，凸型脊5位于凹型槽4的上方，使边棱3的端面沿其中心线的断面呈倒L型结构；防弹陶瓷片2在对接时，一块防弹陶瓷片2中上方设有凹型槽4、下方设有凸型脊5的边棱与另外一块防弹陶瓷片2上方设有凸型脊5、下方设有凹型槽2的边棱对接嵌扣。其中，凹型槽、凸型脊分别设在各自所在的防弹陶瓷片中边棱的中间位置，凸型脊5与凹型槽4对接嵌扣时的接触的端面上均涂抹有胶粘剂。

其中，凸型脊5的厚度d₁=1/2×D，其中，D为防弹陶瓷片2的厚度；凸型脊5的宽度d₂=（1.5~1.6）×d₁，凸型脊5的长度d₃=（0.7~0.8）×L，L为凸型脊5所在的边棱的长度。

实施例3

一种嵌扣式防弹陶瓷片，如图7所示，防弹陶瓷片2为正六边形结构，防弹陶瓷片2呈凹凸嵌扣式对接而成。如图8所示，防弹陶瓷片2中的间隔设置的边棱3上设有凹型槽4，防弹陶瓷片2中与凹型槽4相邻设置的边棱3上设有凸型脊5，防弹陶瓷片2在对接时，一块防弹陶瓷片2设有凹型槽4的边棱与另外一块防弹陶瓷片2设有凸型脊5的边棱通过凹型槽4与凸型脊5对接嵌扣。凸型脊5与凹型槽4之间为间隙配合，且凹型槽4、凸型脊5分别设在各自所在的防弹陶瓷片2中边棱3的中间位置，凸型脊5与凹型槽4之间的间隙中填充胶粘剂。

其中，如图9所示，凸型脊5的厚度d₁=1/3×D，其中，D为防弹陶瓷片2的厚度；凸型脊5的宽度d₂=（1.2~1.5）×d₁，凸型脊5的长度d₃=（0.5~0.7）×L，L为凸型脊5所在的边棱3的长度。

实施例4

一种嵌扣式防弹陶瓷片，如图10所示，防弹陶瓷片2为正六边形结构，防弹陶瓷片2呈上下嵌扣式对接而成。如图11和图12所示，防弹陶瓷片2的边棱3上设有上下分置的凹型槽4以及凸出边棱3的凸型脊5，且凹型槽4与凸型脊5连通，其中，防弹陶瓷片2的间隔设置的边棱3中，凹型槽4位于凸型脊5的上方，使边棱3的端面沿其中心线的断面呈L型结构；防弹陶瓷片2的剩余的边棱中，凸型脊5位于凹型槽4的上方，使边棱3的端面沿其中心线的断面呈倒L型结构；防弹陶瓷片2在对接时，一块防弹陶瓷片2中上方设有凹型槽4、下方设有凸型脊5的边棱与另外一块防弹陶瓷片2上方设有凸型脊5、下方设有凹型槽4的边棱对接嵌扣。其中，凹型槽4、凸型脊5分别设在各自所在的防弹陶瓷片2中边棱3的中间位置，凸型脊5与凹型槽4对接嵌扣时的接触的端面上均涂抹有胶粘剂。

其中，凸型脊5的厚度d₁=1/2×D，其中，D为防弹陶瓷片2的厚度；凸型脊5的宽度d₂=（1.7~1.8）×d₁，凸型脊5的长度d₃=（0.8~0.9）×L，L为凸型脊5所在的边棱3的长度。在上下对接嵌扣时，凹型槽4的宽度、深度、长度比凸型脊5的厚度d₁、宽度d₂、长度d₃略大；

实施例1和实施例2的对接嵌扣后粘接在防弹背板1上，效果如图1所示；实施例3和实施例4的对接嵌扣后粘接在防弹背板1上，效果如图6所示。本发明中，可以采用凹凸嵌扣或上下嵌扣式对接。

实施例5

一种嵌扣式防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照下列重量百分数称取各原料：45%的碳化硅粉末、20%的硅粉、22%的短切碳纤维以及13%的酚醛树脂粉；将各原料进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在压力机中预紧后，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为35MPa，保压时间为10min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1550℃，并在该温度下保温25min，烧结过程中保持烧结压力55MPa，保压时间为50min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理。

实施例6

一种嵌扣式防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照下列重量百分数称取各原料：40%的碳化硅粉末、25%的硅粉、19%的短切碳纤维以及16%的酚醛树脂粉；将各原料进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在压力机中预紧后，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为25MPa，保压时间为15min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1500℃，并在该温度下保温30min，烧结过程中保持烧结压力60MPa，保压时间40min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理。

实施例7

一种嵌扣式防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照下列重量百分数称取各原料：50%的碳化硅粉末、22%的硅粉、18%的短切碳纤维以及10%的酚醛树脂粉，酚醛树脂的牌号为2119；将各原料进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛，防止氧化；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在压力机中预紧后，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为30MPa，保压时间为13min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1600℃，并在该温度下保温20min，烧结过程中保持烧结压力45MPa，保压时间为 60min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理，去除表面模壳材料。

碳化硅硬度高、比重小，制得的陶瓷的弹道性能较好，价格低于碳化硼陶瓷，弹道性能优于氧化铝陶瓷，能够用于车辆、舰船的防护、民用保险柜、运钞车等的防护中。将陶瓷片通过胶粘剂粘接在防弹背板上。

通过上述方法制备的碳化硅防弹陶瓷，其各种性能指标见下表1所示。

表1 实施例5~实施例7碳化硅防弹陶瓷的性能指标

将本发明制得的6mm厚嵌扣式碳化硅陶瓷片作为防弹面板，将9mm厚的UHMWPE纤维复合材料作为防弹背板，粘接而成靶板，进行打靶试验，并与相同规格尺寸的靶板的打靶结果进行比对。防弹级别标准采用影响力较大的北约AEP-55 STANAG 4569防护标准中的Ⅱ级，即采用7.62 ×39mm钢弹，距离靶板30m，以 695m/s着弹速度射击靶板；每块靶板射击6发子弹，试验结果如图12和图13所示，防弹面板未被击穿。

将本发明防弹面板与现有技术中常规的防弹面板进行同等条件下的打靶实验，结果如表2所示，本发明的防弹效果更好。

表2 本发明与常规防弹面板实验结果对比

以上示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明 的技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。

Claims (5)

1.一种嵌扣式防弹陶瓷片，其特征在于：防弹陶瓷片由以下重量百分数的原料组成：40~50%的碳化硅粉末、20~25%的硅粉、18~22%的短切碳纤维以及10~16%的酚醛树脂粉；所述的防弹陶瓷片呈上下嵌扣式对接而成，防弹陶瓷片的边棱上设有上下分置的凹型槽以及凸出边棱的凸型脊，且凹型槽与凸型脊连通，其中，防弹陶瓷片的间隔设置的边棱中，凹型槽位于凸型脊的上方，使边棱的端面沿其中心线的断面呈L型结构；防弹陶瓷片的剩余的边棱中，凸型脊位于凹型槽的上方，使边棱的端面沿其中心线的断面呈倒L型结构；防弹陶瓷片在对接时，一块防弹陶瓷片中上方设有凹型槽、下方设有凸型脊的边棱与另外一块防弹陶瓷片上方设有凸型脊、下方设有凹型槽的边棱对接嵌扣；凹型槽、凸型脊分别设在各自所在的防弹陶瓷片中边棱的中间位置；凸型脊的厚度d₁=（1/3~1/2）×D，其中，D为防弹陶瓷片的厚度；凸型脊的宽度d₂=（1.2~1.8）×d₁，凸型脊的长度d₃=（0.5~0.9）×L，L为凸型脊所在的边棱的长度。

2.如权利要求1所述的一种嵌扣式防弹陶瓷片，其特征在于：所述碳化硅粉末中，碳化硅含量≥99.9%，粒径为10μm≤d₅₀≤20μm；所述硅粉中的硅含量≥99.8%，粒径为2μm≤d₅₀≤10μm；所述酚醛树脂粉的固含量≥50%；所述短切碳纤维的直径为7μm，长度为50~300μm。

3.如权利要求1所述的一种嵌扣式防弹陶瓷片，其特征在于：所述的防弹陶瓷片为正多边形结构，正多边形结构的边棱个数为n，n=4或6。

4.如权利要求1所述的一种嵌扣式防弹陶瓷片，其特征在于：凸型脊与凹型槽对接嵌扣时的接触的端面上均涂抹有胶粘剂。

5.制备如权利要求1所述的一种嵌扣式防弹陶瓷片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照权利要求1的重量百分数称取各原料并进行混合，形成混合料，将混合料置于球磨机中球磨15h后，进行干燥处理，得到固溶体粉末；其中，在球磨时采用氩气气氛；

步骤二、将固溶体粉末置于预先制备好的石墨模具中，在5~10MPa压力的压力机中预紧10~25s，将固溶体粉末冷压成型，获得具有所需形状的毛坯；其中，冷压成型的压力为25~35MPa，保压时间为 10~15min；

步骤三、将烧结炉内抽取真空，真空度为10^-2Pa，再将步骤二制备的毛坯连带模具放入烧结炉内进行真空热压烧结成型，烧结温度为1500~1600℃，并在该温度下保温20~30min，烧结过程中保持烧结压力45~60MPa，保压时间为 40~60min；

步骤四、将烧结后的嵌扣式防弹陶瓷片进行冷却、清理。

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