CN108164254A - 一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法 - Google Patents

一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加。所述防弹靶板，包括具有环形结构的防弹陶瓷片和PE背板，防弹陶瓷片均匀分布在所述PE背板上。本发明的防弹陶瓷片引入环状结构设计，可提高其防弹性能；在Al2O3粉料中引入一定量TiO2和MgO粉料，实现低温烧结；引入一定的3Y‑ZrO2，实现增韧；环间填充混合粉末的存在，通过烧结，可将陶瓷片、陶瓷环和异形件粘接起来，有利于提高防弹板的制作效率；本发明的制备方法原料粉来源丰富，成本低廉，生产工艺简单，产品质量稳定的特点。

Description

一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，具体涉及一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法。
背景技术
现代战争中，高性能人体防护装具是提高士兵战场生存率的关键因素之一，日常生活中公安、交警和保安人员等穿戴的防弹背心、头盔等也是人体防护装具的重要组成部分，因此，开展高性能人体防护装具的研究，对维护国家安全和社会治安等具有重要意义。在人体防护装具研究领域，目前的趋势是将高强高硬的陶瓷硬层与高强高模的聚合物软层结合，制成复合型防护装具，这种装具综合了硬层和软层材料各自的优点，具有优异的防护性能和广阔的市场空间。在复合防护装具中，硬层材料占近80％的质量和60％的成本，能消耗子弹冲击能量的70％左右[5]。因此，陶瓷硬层性能的大幅提高，对改善复合防护装具的综合性能，降低其质量和生产成本，极为重要。
目前，国内外使用的防弹陶瓷材料主要有Al2O3、碳化硼(下文用B4C表示)、碳化硅(下文用SiC表示)、硼化钛(下文用TiB2表示)、氮化铝(下文用AlN表示)、氮化硅(下文用Si3N4表示)、塞隆(下文用Sialon表示)等，其相关性能见表1：
表1常用防弹陶瓷材料的性能
*B4C、SiC和Al2O3三种防弹陶瓷的价格比约为6:3:1
从表中可以看出，B4C硬度最高，密度最低，被认为是较理想的防弹陶瓷，但其价格昂贵，使用范围有限；Al2O3虽然硬度较低、密度较高，但烧结性能好，工艺成熟，生产成本低，因而得以广泛使用；防弹性能介于B4C和Al2O3之间的SiC材料，它的硬度、弹性模量较高，密度居中，但由于工艺技术等的不完善，使用者较多的考虑前两种，故而SiC防弹陶瓷的发展受到限制；TiB2的硬度和弹性模量较高，但其密度亦较高，故它被重型装甲所采用；对AlN、Si3N4、Sialon等陶瓷，也对其抗弹性能有过探索。
Al2O3陶瓷因上述一系列优点，而在复合型人体防护装具中得以广泛使用。但Al2O3陶瓷防弹性能较低，在实际使用中主要通过增加厚度来提高防护效果，厚度的增加导致制备工艺复杂，生产成本增加，同时导致防护装具的质量增加，影响穿戴的舒适度和运动的灵活性，这些都阻碍了Al2O3防弹陶瓷的进一步应用。研究表明，影响陶瓷材料防弹性能的主要因素包括硬度、断裂韧性、弹性模量及弯曲强度等。
传统理论认为同时提高陶瓷材料断裂韧性、强度和弹性模量以及硬度的方法比较有限。通过在陶瓷中加入纤维、晶须或晶片、微粒等可提高其断裂韧性，这种增韧是通过偏移裂纹或提供连接成分以预防裂纹进一步扩展来实现的，另一种方法是在陶瓷中加入金属成分来形成裂纹连接元素以便在塑性变形时吸收能量。陶瓷材料强度和弹性模量的提高主要通过致密化烧结、细化晶粒等方法来实现，硬度的提高主要通过在基体中加入硬度较高的第二相等。但上述方法或导致工艺复杂、成本增加，如添加纤维、晶须等，或导致材料的烧结温度升高，如添加硬颗粒，添加3Y-ZrO2等虽然可以提高材料的强度和断裂韧性，但其硬度会显著下降，添加金属会导致制备工艺复杂、成本增加。总之，传统方法不能同时提高陶瓷材料的弹性模量和强度、断裂韧性及硬度等，而且还会带来其它一些负面影响，从防弹材料应用的角度看，都是不利的。
自从上世纪80年代末，Niihara等报道了一系列材料中添加亚微米或纳米分散相粒子后具有极高的性能以来，纳米复合材料的研究已成为材料科学领域的一个新热点。表2为Al2O3基纳米复相陶瓷的部分研究结果。
表2单相和Al2O3基纳米复相陶瓷材料的力学性能数据
从表2中的数据可以看出，不同系列的Al2O3纳米复相陶瓷的强度均比单相Al2O3陶瓷提高1-1.5倍，断裂韧性提高1-3倍，纳米SiC颗粒的添加还能大幅提高材料的硬度，但这些方法均存在一定局限性，比如用到热压烧结，而添加SiC纳米颗粒或金属及合金，烧结过程需要在惰性烧结气氛下进行，从防弹陶瓷的生产和使用角度看，都是不利的。
另一类改善陶瓷材料韧性的思路是采用层状复合结构设计，陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发，研究发现：要克服陶瓷材料的脆性，可以采用层状结构，在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层(通常称之为夹层、隔离层或界面层)制成层状复合材料，这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷材料突发性断裂的致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时，裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折，有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时，这种材料的强度受缺陷影响较小，是一种耐缺陷材料，这种结构可使陶瓷材料的韧性得到很大改善，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的设计和研究思路。
现有非专利文献披露的层状陶瓷材料，其素坯层主要通过流延成型法制备，层厚为0.5mm左右，不同组成的素坯经过预处理之后通过热压烧结来制备层状陶瓷。现有层状陶瓷的生产效率很低，素坯预处理工艺复杂，陶瓷的烧成过程对设备要求较高，而且无法实现连续化生产，故此很少用于批量生产。
目前关于通过结构和组成设计来提高陶瓷防弹性能的专利文献主要有：
中国专利说明书CN201310293329.7公开了周泽华等发明的一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特点是，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85-95％Al2O3+5-15％氧化锆(下文用ZrO2表示)，中心层成分按质量百分比为75-85％Al2O3+15-25％ZrO2；烧结后三明治结构防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:5－15；防弹陶瓷片的表面为正六边形或正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40－60mm，厚度7－12mm，或正方形边长为30－60mm，厚度7－12mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5-99.5％，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11MPa·m1/2。可作为人体、装甲的硬质防弹材料使用。通过对Al2O3－ZrO2复合陶瓷引入三明治结构，保证相邻层间一定成分差异，使陶瓷片具有优秀抗冲击性能；并引入三步成型法，在大气环境、较低温度下完成陶瓷片的致密化。上述成型工艺较为复杂，且ZrO2的引入可能导致材料的烧结温度升高。
中国专利说明书CN200410098948.1公开了彭榕发明的一种金属/陶瓷层状复合材料防护板，主要用作装甲板。为了提高防弹效果和使用可靠性，减轻防护板重量，改善复合防护板的抗二次打击性能，这种金属/陶瓷层状复合材料防护板，具有至少一个金属层/陶瓷层/金属层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～900℃温度下，通过活性铸接工艺或活性金属钎焊工艺将金属层和陶瓷层焊接在一起。这种金属/陶瓷层状复合材料防护板，兼具金属和陶瓷材料各自的特点，不仅硬度高，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速弹丸打击的能力。这种防护板可广泛应用在防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。上述工艺实际是三层分别制备，而后焊接在一起，三层分别烧结加焊接导致制备工艺复杂。而金属层相比陶瓷层，其成本大幅增加。
中国专利说明书CN200910015239.5公开了高礼文等发明的一种纳米SiC增韧Al2O3防弹陶瓷的制备方法，包括配料、成型和烧成，其特点是基础配料组成按重量百分比为：粒径小于2.5μm的α－Al2O3粉98－98.5％、过325目筛的高岭土0.8－1.3％和过325目筛的烧滑石0.5－1.0％，以上基础配料，还需要外加3－8％的粒度在10－30纳米的纳米级SiC；采用注凝成型方法；烧成制造：烧成温度1650－1700℃，保温时间3－5小时。上述方法存在素坯制备工艺复杂(采用凝胶注法)，烧结需要在惰性气氛下进行，导致生产效率较低，无法实现连续化生产，纳米SiC的添加导致防弹片的生产成本上扬。
中国专利说明书CN201310142518.4公开了陈照峰等发明的一种纤维/陶瓷/金属复合材料防弹板及其制备方法，其特点防弹板包含至少一个金属侧向约束树脂复合板结构，而且纤维层、陶瓷层以及金属侧向约束树脂复合板形成三明治结构。其制备过程包括：通过激光焊制备钛合金框架，根据钛合金型腔的尺寸制备超高分子量聚乙烯板，使用胶黏剂将超高分子量聚乙烯板固定在钛合金框架的型腔里，使用胶黏剂连接碳纤维层和陶瓷层，通过陶瓷表面金属化法实现陶瓷层和金属侧向约束树脂复合板的连接。该防弹板具有硬度高，韧性好抗撕裂性能好，解决了防弹板在受撞击过程中由于震动导致层与层之间的崩离现象，以及金属直接作为迎弹面不能起到很好的防弹作用的问题，提高了防弹板的防弹性能。可广泛应用于装甲车以及需要防护的飞行器上。上述防弹板的制备工艺极为复杂，其实际是每一层均需要独立的制备工艺，而后将几层通过不同的方法连接在一起。同时由于存在钛合金框架、聚乙烯板、碳纤维层和陶瓷层，成本相当高。
中国专利说明书CN201410062187.8公开了刘金良等发明的一种陶瓷复合防弹板，包括防弹背板(1)以及设于防弹背板(1)上的防弹陶瓷块(2)；其特征在于，防弹陶瓷块(2)由平面板块(21)以及用于改变子弹冲击方向的曲面突起(22)构成；曲面突起(22)设于平面板块(21)的上表面；平面板块(21)的下表面以面接触的方式固定在防弹背板(1)上。本发明实施例突破了现有陶瓷复合防弹板所依靠的防弹原理的局限性，使陶瓷复合防弹板的整体防弹性能得到大幅提高，不仅每块防弹陶瓷块都具备了防多弹侵彻的能力，而且防弹陶瓷块与防弹陶瓷块接合处的防弹性能也得到大幅提高；同时，在保证同等防弹性能的情况下，该陶瓷复合防弹板的整体重量能够大幅降低。上述防弹板的制作工艺较为复杂，陶瓷块实际由2部分构成，亦即：平面板块以及用于改变子弹冲击方向的曲面突起构成，存在成型困难力学性能不稳定等确定，进而影响到靶板的防弹效果。
中国专利说明书CN201610761357.0公开了张国军等发明的本发明是纤维增强碳化硅陶瓷加背板复合防弹板的制作方法，包括如下步骤：a、制粉：将碳化硅粉末、碳源、碳化硅纤维、添加剂等混合后造粒，得到纤维增强碳化硅陶瓷粉料；b、压制：将制得的纤维增强碳化硅陶瓷粉料模压，得到纤维增强碳化硅陶瓷生坯；c、烧结：将上述生坯放入真空烧结炉内渗硅反应烧结，烧结温度为1500～1800℃，烧结时间为5小时～25小时，得到纤维增强碳化硅陶瓷；d、复合：将纤维增强碳化硅陶瓷与纤维复合材料背板复合在一起，得到纤维增强碳化硅陶瓷加背板复合防弹板，其防弹性能满足NIJ0101.06标准IV级要求，防弹性能优越。上述防弹板的实质为碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料，该方法确实可以提高碳化硅陶瓷的防弹性能，但碳化硅纤维价格昂贵，限制了该型防弹板的大规模使用。
中国专利说明书CN201410630243.3公开了张国军等发明的本发明属于防弹衣或者防弹背心制作技术领域，特别是涉及一种陶瓷小圆柱体防弹插板的制作技术。包括采用高强橡塑材料注塑包裹在一起的PE背板和防弹瓷块，其中，所述防弹瓷块有多个，且平铺并紧密接合的粘贴在PE背板的外侧，使得PE背板的外侧被防弹瓷块覆盖，所述防弹瓷块为圆柱体陶瓷块，多个圆柱体陶瓷块粘接组合形成一块防弹板，所述圆柱体陶瓷块的直径尺寸Φ1为10-15mm，且两端端头的横截面为圆弧形，整体呈“胶囊”形状。本发明陶瓷小圆柱体防弹插板结构简单、合理，相对于现有技术强化了防弹性能，有效保护了使用者，而且，尺寸合理，方便组合，形式灵活多样，实施例较多，适于推广实施。上述防弹板的陶瓷小圆柱体呈“胶囊”形状，存在成型困难，烧结密度较低，而且因为直径较小，也存在插板安装效率低等缺点。同时由于是胶囊结构，其与PE背板的接触面积较小，粘结性能预期不够理想，容易导致陶瓷片与PE板分离。
中国专利说明书CN201410598340.9公开了方宁象等发明的本发明涉及一种陶瓷防弹插板，包括：一背板；复数块防弹陶瓷块排布在该背板上，该些防弹陶瓷块的排布形状在该背板的长度延伸方向上分为复数个层级，且相邻层级之间的防弹陶瓷块拼接形成的接缝相互错开。藉此本发明通过新型的排布防弹陶瓷块的方式，使得相邻层级之间的各块防弹陶瓷块的接缝相互错开，从而提高了陶瓷防弹插板的防弹性能。上述防弹板中防弹陶瓷片的摆放类似于“砌墙时砖块的放置方式”，的确可以将裂纹在防弹陶瓷层的直线扩展改为曲线扩展，但对于提高陶瓷片本身的防弹性能效果不明显。
中国专利说明书CN201310675360.7公开了李友宝等本发明公开了一种高韧碳化硼复合材料及其制备方法，所述的各组分的重量百分比如下：64％-93％的碳化硼，2％-6％的碳化硅，3％-20％硼化钙和2％-10％的碳化钛；所述的制备工艺如下：以市面上购得的碳化硼为原料依次经过粉碎混合→搅拌制浆→球磨→喷雾造粒→加压成型→高温烧结后得到高韧性的碳化硼复合材料；本发明通过碳化硅作为复合材料的烧结助剂，将烧结的温度降低，通过硼化钙和碳化钛的混合成型来增加复合材料的韧性，硬度HV大于42GPa，体积密度为2.49-2.51g/cm3,断裂韧性有了很大的提高，最高达到5.89MPa·m1/2，抗弯强度大于420MPa；本发明在性能上达到了制作防弹装甲的基本需求，对于提高军事作战水平有着积极的意义；同时其生产过程中使用的仪器和设备相对简单，方便维护和检修，生产成本较低，生产过程中的容错率较大，适合大规模推广生产。上述方法制备的防弹陶瓷片实际为添加有烧结助剂和强韧化助剂的碳化硼防弹陶瓷片，与本发明的环形结构陶瓷设计存在较大的区别。
中国专利说明书CN201310578740.9公开了戚明杰等本发明公开了一种整体式碳化硅陶瓷防弹板，包括整体式的、可与粘合背板贴合的防弹板本体(1)，所述防弹板本体(1)由若干个曲面组成，其特征在于：所述防弹板本体(1)的外凸弧面设有若干条将防弹板本体(1)划分为多个单元块(1.1)的止裂槽(1.2)。该整体式碳化硅陶瓷防弹板兼具整体防弹板与小块防弹板的防弹效果，并在同等厚度的情况下成本相对较低。还公开该整体式碳化硅陶瓷防弹板的制造方法，该方法可连续生产、重复性好、生产效率高、模具成型后，板材干燥处理和烧结过程变形小，防弹性能好。上述方法制备的碳化硅防弹板实际为表面存在一定深度和宽度裂纹的特殊结构，该裂纹类似于“微裂纹增韧”，确实可以提高陶瓷材料的断裂韧性，但是基于碳化硅陶瓷的高硬度和高脆性，无论是生坯预制止裂槽然后烧成，还是在烧成后陶瓷片表面后加工形成止裂槽，均很容易导致整块陶瓷板破坏，而且成型工艺(对应于生坯预制止裂槽)较为复杂或加工难度很高(烧成后陶瓷片表面)，这些均会大幅增加防弹陶瓷的生产成本。
中国专利说明书CN201310411167.2公开了卫甘霖等本发明公开的一种提高防弹陶瓷整板防弹性能的表面结构及处理方法，其是在防弹陶瓷整板的迎弹面上加工有若干止裂槽。防弹陶瓷整板着弹时，着弹点形成的辐射状裂纹就会被着弹点周围的止裂槽限制在一定的区域内，裂纹不会再呈辐射状继续向前扩展，而是沿着凹槽成周向扩展，保护了着弹点周围止裂槽以外的陶瓷不被破坏，从而提高了防弹陶瓷整板的防弹效果。另外本发明在防弹陶瓷整板的迎弹面上加工出若干凸柱，而且这些凸柱的顶部为半球状，这样子弹打在凸柱的表面上时，会改变方向，从而降低子弹的穿透能力，也进一步提高了防弹陶瓷整板的防弹效果。上述方法制备的防弹板加工出一定深度和宽度的止裂槽以及凸柱，但基于防弹陶瓷的高硬度和高脆性，加工出一定深度和宽度的止裂槽以及凸柱均很容易导致整块陶瓷板破坏，而且加工难度很高，这些会大幅增加防弹陶瓷的生产成本。
中国专利说明书CN03146391.6公开了汪长安等发明的一种高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料及其热压制备方法，属于陶瓷材料技术领域。该材料由基体层和分隔层组成，所述基体层的原料及配比为Al2O3：(85～100)wt％，助烧剂：(0～15)wt％；所述分隔层的原料及摩尔配比为Ti∶Si∶C＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)，助熔剂CaF2：(0～10)wt％。其热压方法为：将基体层和分隔层陶瓷粉体分别按比例与成型助剂混合，在轧膜机上反复轧制成薄片；放入石墨模具中，在空气气氛下，慢速升温至300～450℃进行排胶处理，之后置于有氩气气氛的热压烧结炉中热压烧结，烧结温度为(1500～1650)℃。本发明所制备的材料具有高强度、高韧性、耐高温等优点，可广泛应用于航天飞机、防弹装甲、输送管道等部件的材料。这一发明存在常见层状陶瓷制备过程存在的一系列问题，较难实现大规模应用。
中国专利说明书CN200310107765.7公开了李文新等发明的碳化物陶瓷防弹板材料及其陶瓷防弹板的制造方法，它涉及一种碳化物陶瓷防弹板材料及其陶瓷防弹板的制造工艺。本发明各成分质量百分比分别为碳化硅和碳化硼粉末占70～92，Al-Y系添加剂占5.5～25，CeO2或La2O3占0.5～3.0。所述碳化硅与碳化硼的质量比为1∶20～20∶1。陶瓷防弹板的制造方法：首先，按常规方法将碳化硅和碳化硼粉末及添加剂混合成形，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空炉抽成真空，再用氩气冲洗三次。升温烧结，升温的速率为5～30℃/min，升温到1750～2050℃后，保温240～480分钟，烧结在氩气中进行。本发明断裂韧性提高，比现有技术提高10～50％，同时降低成本20～40％。抗弯强度提高了30％左右，使材料的防弹性能提高。上述方法制备的防弹陶瓷片实际为添加有烧结助剂和强韧化助剂的碳化硼防弹陶瓷片，与本发明的环形结构陶瓷设计存在较大的区别。
上述已有技术，主要存在以下方面的不足：(1)成型和烧结工艺较为复杂(包括多次成型和凝胶注，热压烧结等，不同部分的连接等)；(2)存在碳化物的防弹陶瓷，必须使用惰性气氛烧结，对生产设备要求高，较难实现连续化生产；(3)原料成分较多，部分材料价格昂贵，不利于大批量生产。
发明内容
针对陶瓷材料脆性大，在强冲击下，裂纹易于从弹着点扩展而导致整片陶瓷破坏，防弹性能大幅下降的缺点，本发明的目的是提供一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法。本发明通过结构设计和组成优化的协同效应，实现陶瓷防弹性能的大幅提高。
基于上述目的，本发明提供的一种具有环状结构的防弹陶瓷片，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加。
在本发明的一些实施例中，所述防弹陶瓷片的厚度为6.0～10.0mm，所述中心陶瓷片的直径为10.0±0.5mm，圆环的宽度为10.0±0.5mm。
本发明具有环状结构的防弹陶瓷片的相对密度99.0～99.9％，抗弯强度450～550MPa，断裂韧性4.8～5.8MPa·m1/2，当陶瓷片厚度为5.0±0.5～7.0±0.5mm，尺寸为200mm×250mm，以及面密度为7千克/平方米的PE背板组合成复合胸插板，防弹标准达到三级。
本发明具有环状结构的陶瓷防弹片，可作为人体、装甲的硬质防弹材料使用。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种防弹靶板，包括所述的具有环形结构的防弹陶瓷片和PE背板，所述防弹陶瓷片均匀分布在所述PE背板上。
在本发明的一些实施例中，还包括异形件，所述异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内。
进一步的，本发明还提供了具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合后，加入去离子水进行湿磨，然后将湿磨后的浆料烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
(2)将烘干后的粉料进行干磨，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，得到氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，然后将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物进行模压，制成不同形状和尺寸的生坯；
(3)将生坯按照大小彼此嵌套起来，组成一个圆形坯，然后在相邻环之间填充氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，烧结后获得具有环状结构的防弹陶瓷片。
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的粒度均为2～10μm，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的重量比为(87～99.5)：(0～4.0)：(0～4.0)：(0.5～5.0)；加入与粉料相同质量的去离子水进行湿磨。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中的湿磨和步骤(2)中的干磨中球磨机的转速为300～500转/min，球磨时间为60～180min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，陈腐工艺的具体步骤为：在干磨后的粉料中加入粘结剂，然后研磨均匀，密封，室温放置12～48h实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；所述粘结剂为质量分数为5％的聚乙烯醇，所述粘结剂的加入量为干磨后的粉料质量的0.2～0.8％；造粒工艺的具体步骤为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为20～100MPa条件下模压粉料，然后敲碎原料条分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒去除棱角，得到造粒好的氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物；模压工艺的具体步骤为：将造粒好的氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物放入模具中，在60～120MPa的压强下压制粉料混合物，形成生坯片。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，在相邻环之间填充氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物的具体步骤为：将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物洒在圆形坯表面，然后刮到相邻环之间的间隙中。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，烧结工艺为在空气气氛下，按照一定的升温程序从室温逐步升高温度进行烧结，具体的升温速度和时间为：在0～400℃阶段为1～4℃/min的速度升温，在400～500℃阶段为1～5℃/min的速度升温，在500～1000℃为2～5℃/min的速度升温，在达到100℃时保温1～4h，在1000～1700℃为1～5℃/min的速度升温，最高温度保温1～4h。
本发明的制备方法具有工艺简单，易于批量生产，成本低，所制备的环状结构防弹陶瓷片性能优异，产品质量稳定的特点；同时环状结构陶瓷片环环之间的弱结合，有利于提高防弹陶瓷片制作防弹靶板的生产效率，而且组装方便。
更进一步的，本发明还提供了所述的防弹靶板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有环形结构的防弹陶瓷片与异形陶瓷片拼接形成矩形陶瓷片，在矩形陶瓷片表面涂刷胶黏剂，并在PE背板的预粘面涂刷胶黏剂，然后将涂刷胶黏剂的PE背板放置在涂刷胶黏剂的矩形陶瓷片表面，使PE背板粘合矩形陶瓷片；
(2)翻转已经粘合好的矩形陶瓷片-PE板，使矩形陶瓷片压在PE背板上，制成复合板，然后将复合板进行压制，制成防弹靶板。
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，矩形陶瓷片的面积≥200.0×250.0mm2，所述胶黏剂为环氧类胶黏剂，涂刷在矩形陶瓷片表面和PE背板的预粘面的环氧类胶黏剂的厚度为0.2～1.0mm；涂刷胶黏剂的PE背板放置在涂刷胶黏剂的矩形陶瓷片表面的时间为2.0～10.0min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，复合板压制的压力为1.0～8.0MPa，保压时间为12～36h。
本发明的制备方法解决了层状防弹陶瓷制备工艺复杂的问题，也解决了柱状陶瓷安装工艺复杂，柱间存在间隙，同时也不存在纳米颗粒、纤维、晶须等较为昂贵的第二相添加物，以及其它复杂的结构设计。
关于具有环状结构的防弹陶瓷片的设计：以50mm×50mm，厚度为6mm的块状陶瓷为例，本发明对应的环状陶瓷片尺寸和形状分别为：
A圆片：直径10.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；
B圆环：内径11.0±0.5mm，外径20.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；
C圆环：内径21.0±0.5mm，外径30.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；
D圆环：内径31.0±0.5mm，外径40.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；
E圆环：内径41.0±0.5mm，外径50.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；
F异形件：以边长为50mm的正方形的四个顶点为圆心，25.5mm为半径做出的四个半圆所围成的中间区域，厚度为厚度6.0±0.5mm。具体尺寸见图1和2。
本发明的原理是：将防弹陶瓷常见的整片设计为环环相套结构的圆形，环宽度可限制强冲击在陶瓷表面所产生的裂纹的扩展范围，相邻环之间的弱结合则有利实现裂纹偏转，亦即延长裂纹扩展路径，这两者均有利于提高陶瓷片的断裂韧性，进而提高其防弹性能；通过配方设计，添加有助于实现低温烧结和增强增韧的添加物，实现环状防弹陶瓷的低温烧成和强韧化。亦即通过结构设计和组成优化的协同效应，实现陶瓷防弹性能的大幅提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明引入环状结构设计，环宽度可限制强冲击在陶瓷表面所产生的裂纹的扩展范围，相邻环之间的弱结合则有利实现裂纹偏转，亦即延长裂纹扩展路径，这两者均有利于提高陶瓷片的断裂韧性，进而提高其防弹性能；
(2)在Al2O3粉料中引入一定量TiO2和MgO粉料，实现低温烧结；引入一定的3Y-ZrO2，实现增韧；
(3)环间填充混合粉末的存在，通过烧结，可将陶瓷片、陶瓷环和异形件粘接起来，有利于提高防弹板的制作效率；
(4)本发明的制备方法原料粉来源丰富，成本低廉，生产工艺简单，产品质量稳定的特点。
附图说明
图1为本发明的环状陶瓷片尺寸和形状；其中，A圆片：直径10.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；B圆环：内径11.0±0.5mm，外径20.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；C圆环：内径21.0±0.5mm，外径30.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；D圆环：内径31.0±0.5mm，外径40.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；E圆环：内径41.0±0.5mm，外径50.0±0.5mm，厚度6.0±0.5mm；F异形件：以边长为50mm的正方形的四个顶点为圆心，25.5mm为半径做出的四个半圆所围成的中间区域，厚度为厚度6.0±0.5mm；
图2为本发明的防弹靶板的结构示意图；其中，1,2,3,4,5和6分别表示A圆片，B圆环，C圆环，D圆环，E圆环和F异形件；白线表示环间间隔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例、附图对本发明进一步详细说明。
实施例1一种具有环状结构的防弹陶瓷片的制备
本实施例中具有环状结构的防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加，该具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、TiO2粉料(二氧化钛，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按97.0：1.0：2.0(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
(2)将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在100MPa的压强条件下压制，制成不同形状和尺寸的陶瓷片生坯；
其中，所述陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.4％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为60MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物。
(3)将环状陶瓷生坯按照大小彼此嵌套起来，形成一个圆形生坯，然后在相邻环之间填充一定量的，相同比例的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物(造粒好的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物)，具体为：将Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物洒在圆形生坯表面，然后刮到相邻环之间的间隙中；在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1550℃阶段以2℃/min的速度升温，在1550℃的温度节点保温2h，最终获得具有环状结构的防弹陶瓷片。
本实施例烧结后环状结构防弹陶瓷片的相对密度99.5％，抗弯强度510MPa，断裂韧性5.3MPa·m1/2。
实施例2一种具有环状结构的防弹陶瓷片的制备
本实施例中具有环状结构的防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加，该具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、MgO粉料(氧化镁，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按99.0：0.5：0.5(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
(2)将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在80MPa的压强条件下压制，制成不同形状和尺寸的陶瓷片生坯；
其中，陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.3％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料。
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为70MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物。
(3)将环状陶瓷生坯按照大小彼此嵌套起来，形成一个圆形生坯，然后在相邻环之间填充一定量的，相同比例的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物(造粒好的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物)，在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1600℃阶段以2℃/min的速度升温，在1600℃的温度节点保温2h，最终获得具有环状结构的防弹陶瓷片。
本实施例烧结后环状结构防弹陶瓷片的相对密度99.9％，抗弯强度540MPa，断裂韧性5.5MPa·m1/2。
实施例3一种具有环状结构的防弹陶瓷片的制备
本实施例中具有环状结构的防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加，该具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、MgO(氧化镁，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)和TiO2粉料(二氧化钛，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按95.0：0.5：0.5：4.0(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
(2)将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在80MPa的压强条件下压制，制成不同形状和尺寸的陶瓷片生坯；
其中，所述陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.3％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为70MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物。
(3)将环状陶瓷生坯按照大小彼此嵌套起来，形成一个圆形生坯，然后在相邻环之间填充一定量的，相同比例的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物(造粒好的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物)，在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1500℃阶段以2℃/min的速度升温，在1500℃的温度节点保温2h，最终获得具有环状结构的防弹陶瓷片。
本实施例烧结后环状结构防弹陶瓷片的相对密度99.1％，抗弯强度470MPa，断裂韧性4.9MPa·m1/2。
实施例4一种防弹靶板的制备
本实施例中防弹靶板包括实施例1制备的具有环状结构的防弹陶瓷片、异形件和PE背板，异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内，该防弹靶板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将具有环状结构的防弹陶瓷片与异形陶瓷片(异形件)平铺在平面托盘上拼接成矩形陶瓷片，陶瓷片所拼成的面积不小于250.0×300.0mm2，在拼接后的矩形陶瓷片四周用与陶瓷片等厚的自粘性EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)胶条紧固以形成矩形圈，用羊毛刷在矩形陶瓷片表面均匀地涂刷0.2～0.3mm厚的EP类(环氧类)胶粘剂，再在PE背板(聚乙烯背板)的预粘面均匀涂刷0.2～0.3mm厚的EP类胶粘剂，然后将涂胶后的PE背板放置在涂胶后的矩形陶瓷片表面，室温下(25.0±1.0℃)保持5.0min，使PE背板粘合矩形陶瓷；
(2)使用工具翻转已粘合好的矩形陶瓷片-PE板，使矩形陶瓷片压在PE背板上，制成复合板，然后将复合板放置在压机下进行压制，压力为2.0MPa，保压时间为24h，并保压一段时间制成防弹陶瓷靶板，并测试其防弹性能。
在本实施例中，异形件的制备方法为：
a将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、TiO2粉料(二氧化钛，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按97.0：1.0：2.0(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
b将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在100MPa的压强条件下压制，制成一定形状和尺寸的异形陶瓷片生坯；
其中，所述陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.4％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为60MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物。
c将异形陶瓷片生坯在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1550℃阶段以2℃/min的速度升温，在1550℃的温度节点保温2h，最终获得异形陶瓷片。
陶瓷靶板的防弹性能测试按照美国司法部NIJ0101.06防弹标准要求，子弹弹速847±9.1米/秒，当陶瓷片厚度为5.5±0.5mm，尺寸为200×250mm2，以及面密度为7千克/平方米的PE背板组合成复合胸插板，防弹标准达到三级。
实施例5一种防弹靶板的制备
本实施例中防弹靶板包括实施例2制备的具有环状结构的防弹陶瓷片、异形件和PE背板，异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内，该防弹靶板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将具有环状结构的防弹陶瓷片与异形陶瓷片(异形件)平铺在平面托盘上拼接成矩形陶瓷片，陶瓷片所拼成的面积不小于250.0×300.0mm2，在拼接后的矩形陶瓷片四周用与陶瓷片等厚的自粘性EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)胶条紧固以形成矩形圈，用羊毛刷在矩形陶瓷片表面均匀地涂刷0.2～0.3mm厚的EP类(环氧类)胶粘剂，再在PE背板(聚乙烯背板)的预粘面均匀涂刷0.2～0.3mm厚的EP类胶粘剂，然后将涂胶后的PE背板放置在涂胶后的矩形陶瓷片表面，室温下(25.0±1.0℃)保持5.0min，使PE背板粘合矩形陶瓷；
(2)使用工具翻转已粘合好的矩形陶瓷片-PE板，使矩形陶瓷片压在PE背板上，制成复合板，然后将复合板放置在压机下进行压制，压力为2.0MPa，保压时间为24h，并保压一段时间制成防弹陶瓷靶板，并测试其防弹性能。
在本实施例中，异形件的制备方法为：
a将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、MgO粉料(氧化镁，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按99.0：0.5：0.5(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
b将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在80MPa的压强条件下压制，制成一定形状和尺寸的陶瓷片生坯；
其中，陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.3％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料。
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为70MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、MgO和3Y-ZrO2粉料混合物。
c将异形陶瓷片生坯在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1600℃阶段以2℃/min的速度升温，在1600℃的温度节点保温2h，最终获得异形陶瓷片。
陶瓷靶板的防弹性能测试按照美国司法部NIJ0101.06防弹标准要求，子弹弹速847±9.1米/秒，当陶瓷片厚度为5.0±0.5mm，尺寸为200×250mm2，以及面密度为7千克/平方米的PE背板组合成复合胸插板，防弹标准达到三级。
实施例6一种防弹靶板的制备
本实施例中防弹靶板包括实施例3制备的具有环状结构的防弹陶瓷片、异形件和PE背板，异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内，该防弹靶板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将具有环状结构的防弹陶瓷片与异形陶瓷片(异形件)平铺在平面托盘上拼接成矩形陶瓷片，陶瓷片所拼成的面积不小于250.0×300.0mm2，在拼接后的矩形陶瓷片四周用与陶瓷片等厚的自粘性EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)胶条紧固以形成矩形圈，用羊毛刷在矩形陶瓷片表面均匀地涂刷0.2～0.3mm厚的EP类(环氧类)胶粘剂，再在PE背板(聚乙烯背板)的预粘面均匀涂刷0.2～0.3mm厚的EP类胶粘剂，然后将涂胶后的PE背板放置在涂胶后的矩形陶瓷片表面，室温下(25.0±1.0℃)保持5.0min，使PE背板粘合矩形陶瓷；
(2)使用工具翻转已粘合好的矩形陶瓷片-PE板，使矩形陶瓷片压在PE背板上，制成复合板，然后将复合板放置在压机下进行压制，压力为2.0MPa，保压时间为24h，并保压一段时间制成防弹陶瓷靶板，并测试其防弹性能。
在本实施例中，异形件的制备方法为：
a将Al2O3粉料(氧化铝，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)、MgO(氧化镁，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)和TiO2粉料(二氧化钛，纯度为99.5％，粒度为2～5μm)和3Y-ZrO2粉料(三钇稳定氧化锆，纯度为99.0％，粒度为2～5μm)按95.0：0.5：0.5：4.0(质量比)称量后装入球磨罐中，加入与粉料相同质量的去离子水，采用刚玉球作为研磨介质进行湿磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，完成湿磨工艺后，将浆料从球磨罐转移到瓷质容器中，在鼓风干燥箱中70℃温度下烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
b将烘干后的粉料再次装入球磨罐中，采用刚玉球作为研磨介质进行干磨，球磨机的转速为400转/min，球磨时间为120min，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，然后造粒好的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物放入模具中，用压机在80MPa的压强条件下压制，制成一定形状和尺寸的陶瓷片生坯；
其中，所述陈腐工艺为：将干磨后的粉料放在研钵中，加入质量分数为5％的PVA(聚乙烯醇)粘结剂，最终质量分数为5％的PVA粘结剂的质量占干磨后的粉料总质量的0.3％，然后研磨均匀，装入塑料袋中密封，室温放置24h，实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；
所述造粒工艺为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为70MPa条件下，用压机模压粉料，然后将原料条敲碎分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒放入不锈钢锅中缓慢摇动以去除棱角，得到造粒好的Al2O3、MgO、TiO2和3Y-ZrO2粉料混合物。
c将异形陶瓷片生坯在空气气氛下按照如下升温速度和时间进行烧结：在0～400℃阶段以2℃/min的速度升温，在400～500℃阶段以1℃/min的速度升温，在500～1000℃阶段以2℃/min的速度升温，在1000℃温度节点保温1h，在1000～1500℃阶段以2℃/min的速度升温，在1500℃的温度节点保温2h，最终获得异形陶瓷片。
陶瓷靶板的防弹性能测试按照美国司法部NIJ0101.06防弹标准要求，子弹弹速847±9.1米/秒，当陶瓷片厚度为6.5.0±0.5mm，尺寸为200mm×250mm，以及面密度为7千克/平方米的PE背板组合成复合胸插板，防弹标准达到三级。
由上述内容可知，本发明的有益效果体现在：
(1)引入环状结构设计，环宽度可限制强冲击在陶瓷表面所产生的裂纹的扩展范围，相邻环之间的弱结合则有利实现裂纹偏转，亦即延长裂纹扩展路径，这两者均有利于提高陶瓷片的断裂韧性，进而提高其防弹性能；
(2)在Al2O3粉料中引入一定量TiO2和MgO粉料，实现低温烧结；引入一定的3Y-ZrO2，实现增韧；
(3)环间填充混合粉末的存在，通过烧结，可将陶瓷片、陶瓷环和异形件粘接起来，有利于提高防弹板的制作效率；
(4)本发明的制备方法原料粉来源丰富，成本低廉，生产工艺简单，产品质量稳定的特点。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种具有环状结构的防弹陶瓷片，其特征在于，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加。
2.根据权利要求1所述的具有环状结构的防弹陶瓷片，其特征在于，所述防弹陶瓷片的厚度为6.0～10.0mm，所述中心陶瓷片的直径为10.0±0.5mm，圆环的宽度为10.0±0.5mm。
3.一种防弹靶板，其特征在于，包括权利要求1所述的具有环形结构的防弹陶瓷片和PE背板，所述防弹陶瓷片均匀分布在所述PE背板上。
4.根据权利要求3所述的防弹靶板，其特征在于，还包括异形件，所述异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内。
5.一种如权利要求1所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合后，加入去离子水进行湿磨，然后将湿磨后的浆料烘干至恒重，得到烘干后的粉料；
(2)将烘干后的粉料进行干磨，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，得到氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，然后将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物进行模压，制成不同形状和尺寸的生坯；
(3)将生坯按照大小彼此嵌套起来，组成一个圆形坯，然后在相邻环之间填充氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，烧结后获得具有环状结构的防弹陶瓷片。
6.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的粒度均为2～10μm，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的重量比为(87～99.5)：(0～4.0)：(0～4.0)：(0.5～5.0)；加入与粉料相同质量的去离子水进行湿磨。
7.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的湿磨和步骤(2)中的干磨中球磨机的转速为300～500转/min，球磨时间为60～180min。
8.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，陈腐工艺的具体步骤为：在干磨后的粉料中加入粘结剂，然后研磨均匀，密封，室温放置12～48h实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；所述粘结剂为质量分数为5％的聚乙烯醇，所述粘结剂的加入量为干磨后的粉料质量的0.2～0.8％；造粒工艺的具体步骤为：将陈腐后粉料装入模具中，在压强为20～100MPa条件下模压粉料，然后敲碎原料条分别过80目和100目筛网，取出80目和100目筛网中间的颗粒，将取出的颗粒去除棱角，得到造粒好的氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物；模压工艺的具体步骤为：将造粒好的氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物放入模具中，在60～120MPa的压强下压制粉料混合物，形成生坯片。
9.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，在相邻环之间填充氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物的具体步骤为：将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物洒在圆形坯表面，然后刮到相邻环之间的间隙中。
10.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，烧结工艺为在空气气氛下，按照一定的升温程序从室温逐步升高温度进行烧结，具体的升温速度和时间为：在0～400℃阶段为1～4℃/min的速度升温，在400～500℃阶段为1～5℃/min的速度升温，在500～1000℃为2～5℃/min的速度升温，在达到100℃时保温1～4h，在1000～1700℃为1～5℃/min的速度升温，最高温度保温1～4h。
11.一种如权利要求3所述的防弹靶板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将具有环形结构的防弹陶瓷片与异形陶瓷片拼接形成矩形陶瓷片，在矩形陶瓷片表面涂刷胶黏剂，并在PE背板的预粘面涂刷胶黏剂，然后将涂刷胶黏剂的PE背板放置在涂刷胶黏剂的矩形陶瓷片表面，使PE背板粘合矩形陶瓷片；
(2)翻转已经粘合好的矩形陶瓷片-PE板，使矩形陶瓷片压在PE背板上，制成复合板，然后将复合板进行压制，制成防弹靶板。
12.根据权利要求11所述的防弹靶板的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，矩形陶瓷片的面积≥200.0×250.0mm2，所述胶黏剂为环氧类胶黏剂，涂刷在矩形陶瓷片表面和PE背板的预粘面的环氧类胶黏剂的厚度为0.2～1.0mm；涂刷胶黏剂的PE背板放置在涂刷胶黏剂的矩形陶瓷片表面的时间为2.0～10.0min。
13.根据权利要求11所述的防弹靶板的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，复合板压制的压力为1.0～8.0MPa，保压时间为12～36h。
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