CN108253843B - 一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防弹板的制备方法，特别涉及一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法。本发明提供的连续纤维增韧碳化硅陶瓷继承了碳化硅陶瓷材料高硬度、耐磨耗等优点，同时通过发挥连续纤维增强增韧机理，克服了单纯碳化硅陶瓷固有韧性差和抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷，因此连续纤维增韧碳化硅陶瓷具有低密度、高比强度、高比模量、高硬度、抗冲击等特点，能有效提高防弹板的防弹性能，尤其是抗多发弹性能。本发明采用聚合物高压浸渍裂解工艺制备连续纤维增韧碳化硅陶瓷材料，工艺简单，制备成本低。本发明提供的定型方法简单灵活，利于防弹板尺寸的个性化定制。

Description

一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种防弹板的制备方法，特别涉及一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法。
背景技术
在现代战争中，防弹是提高战斗人员防御力的必要措施；在安防领域，防弹是提供个人安全防护的重要方式。防弹材料是防弹领域研究的重点。随着防弹技术的发展，防弹板由起初的钢板到现在的陶瓷加背板结构的复合防弹板，防弹材料向强韧化、轻量化、舒适化逐步发展。现有的陶瓷板加背板结构的复合防弹板原理为依靠高硬度的陶瓷作为迎弹面，使子弹内的穿甲弹芯破裂、变形；再依靠背板防止子弹破片和陶瓷碎片的进一步贯穿，从而实现防弹功能。
现有的陶瓷板材料多选用单纯的陶瓷制备，碳化硅是防弹材料体系中的重要一元，它具有高的硬度和刚性，并且具有优良的机械性能，是理想的防弹材料之一。由于陶瓷本身的脆性，单纯陶瓷的韧性和抗外部冲击载荷性能较差，从而导致抗多发弹性能较差。
现有的陶瓷板可分为拼接板和整体板两种，拼接板具有制备柔性大的优点但制造工序复杂，生产效率低，而且防弹性能不如整体板；整体板多采用整体多曲面结构，模拟人体生理曲线，获得更舒适的穿着体验，但是整体板的模具昂贵且制造周期长，因此只有数量有限的标准尺寸可供选择，限制了整体板的个性化定制能力。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术缺陷，提供一种性能优异、尺寸可个性化定制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，能有效提高防弹板的防弹性能。
本发明的技术解决方案是
(1)、纤维预制体的设计及制备：以连续纤维为原料，按照防弹板结构与形状尺寸，编织制备出连续纤维预制体；
(2)、定型工装的设计及制造：根据防弹板结构与形状尺寸设计和制备石墨定型工装，定型工装内腔结构与防弹板结构一致；
(3)、合模定型：将上述纤维预制体置入石墨定型工装内固定，合模后固定定型工装进行定型；
(4)、纤维预制体的热处理：将上述定型后的纤维预制体随石墨定型工装置于真空高温炉中，热处理30min～60min，根据连续纤维的种类，选择不同处理温度，若连续纤维为碳纤维，处理温度为1500℃～1800℃，若连续纤维为碳化硅纤维，处理温度为800℃～1000℃；
(5)、涂覆界面层：将上述纤维预制体随石墨定型工装置于化学气相沉积炉内，进行纤维表面界面层的涂覆，界面由热解碳、碳化硅或氮化硼等材料构成；
(6)、浸渍液的配制：将液态聚碳硅烷与碳化硅粉混合均匀，作为浸渍液，浸渍液中液态聚碳硅烷的质量分数不小于60％；
(7)、高压浸渍固化：将纤维预制体随石墨定型工装置于浸渍釜中，首先对浸渍釜抽真空，真空度为-0.05MPa～-0.10MPa时向浸渍釜内注入浸渍液直至浸渍液完全浸没纤维预制体，对浸渍釜加温加压，温度为200℃～300℃，压力为1MPa～5MPa，保压时间1小时～10小时，然后卸压自然降温至室温；
(8)、高温裂解：将上述高压浸渍固化后的纤维预制体随石墨定型工装放入裂解炉中，在高纯氮气气氛下进行高温裂解，炉压为1.0KPa～4.0KPa，裂解温度为1000℃～1300℃，保温0.5～1小时，自然降温至室温；
(9)、致密化：重复上述步骤(7)和步骤(8)，循环2～4次后，纤维预制体从石墨定型工装脱模，再重复步骤(7)和步骤(8)，直到纤维预制体质量增重小于1％为止，得到连续纤维增韧碳化硅陶瓷；
(10)、复合：将连续纤维增韧碳化硅陶瓷与超高分子量聚乙烯背板粘接复合为一体，完成连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备。
所述的纤维预制体的原料为碳纤维或碳化硅纤维。
所述的纤维预制体结构为单向带、2维缝合、2.5维编织或3维编织。
本发明具有的优点和有益效果是：
第一，本发明提供的连续纤维增韧碳化硅陶瓷继承了碳化硅陶瓷材料高硬度、耐磨耗等优点，同时通过发挥连续纤维增强增韧机理，克服了单纯碳化硅陶瓷固有韧性差和抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷，因此连续纤维增韧碳化硅陶瓷具有低密度、高比强度、高比模量、高硬度、抗冲击等特点，能有效提高防弹板的防弹性能，尤其是抗多发弹性能。
第二，本发明采用聚合物高压浸渍裂解工艺制备连续纤维增韧碳化硅陶瓷材料，工艺简单，制备成本低。
第三，本发明提供的定型方法简单灵活，利于防弹板尺寸的个性化定制。
附图说明
图1为实施例中连续纤维增韧碳化硅陶瓷的纤维预制体示意图；
图2为实施例中连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的成品示意图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方案对本发明做进一步的详细说明：
连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1、纤维预制体1的设计及制备：以连续纤维(如碳纤维、碳化硅纤维等)为原料，按照防弹板结构与形状尺寸，编织制备出连续纤维预制体1；
2、定型工装的设计及制造：根据防弹板结构与形状尺寸设计和制备石墨定型工装，定型工装内腔结构与防弹板结构一致；
3、合模定型：将上述纤维预制体1置入石墨定型工装内固定，合模后固定定型工装进行定型；
4、纤维预制体1的热处理：将上述定型后的纤维预制体1随石墨定型工装置于真空高温炉中，热处理30min～60min，根据连续纤维的种类，选择不同处理温度，若连续纤维为碳纤维，处理温度为1500℃～1800℃，若连续纤维为碳化硅纤维，处理温度为800℃～1000℃；
5、涂覆界面层：将上述纤维预制体1随石墨定型工装置于化学气相沉积炉内，进行纤维表面界面层的涂覆，界面由热解碳、碳化硅或氮化硼等材料构成，热解碳界面层的制备工艺为：以丙烷为碳源，温度为950℃～1100℃，炉压为2KPa～4KPa，流量为1000ml/min～3000ml/min，沉积时间为4h～10h；
6、浸渍液的配制：将液态聚碳硅烷与碳化硅粉混合均匀，作为浸渍液，浸渍液中液态聚碳硅烷的质量分数不小于60％；
7、高压浸渍固化：将纤维预制体1随石墨定型工装置于浸渍釜中，首先对浸渍釜抽真空，真空度为-0.05MPa～-0.10MPa时向浸渍釜内注入浸渍液直至浸渍液完全浸没纤维预制体1，对浸渍釜加温加压，温度为200℃～300℃，压力为1MPa～5MPa，保压时间1小时～10小时，然后卸压自然降温至室温；
8、高温裂解：将上述高压浸渍固化后的纤维预制体1随石墨定型工装放入裂解炉中，在高纯氮气气氛下进行高温裂解，炉压为1.0KPa～4.0KPa，裂解温度为1000℃～1300℃，保温0.5～1小时，自然降温至室温；
9、致密化：重复上述步骤7和步骤8，循环2～4次后，纤维预制体1从石墨定型工装脱模，再重复步骤7和步骤8，直到纤维预制体1质量增重小于1％为止，得到连续纤维增韧碳化硅陶瓷2；
10、复合：将连续纤维增韧碳化硅陶瓷2与超高分子量聚乙烯背板3粘接复合为一体，完成连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备。
实施例
连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，操作步骤如下：
1、纤维预制体1的设计及制备：以东丽T300碳纤维为原料，按照防弹板结构与形状尺寸，编织制备出连续纤维预制体1，纤维预制体1结构为2维缝合结构；
2、定型工装的设计及制造：根据防弹板结构与形状尺寸设计和制备石墨定型工装，定型工装内腔结构与防弹板结构一致；
3、合模定型：将上述纤维预制体1置入石墨定型工装内固定，合模后固定定型工装进行定型，定型工装材质选用高纯石墨；
4、纤维预制体1的热处理：将上述定型后的纤维预制体1随石墨定型工装置于真空高温炉中，热处理30min，处理温度为1600℃；
5、涂覆界面层：将上述纤维预制体1随石墨定型工装置于化学气相沉积炉内，进行纤维表面界面层的涂覆，界面材料为热解碳，热解碳界面层的制备工艺为：以丙烷为碳源，温度为1000℃，炉压为4KPa，流量为1000ml/min，沉积时间为4h；
6、浸渍液的配制：将液态聚碳硅烷与碳化硅粉混合均匀，作为浸渍液，浸渍液中液态聚碳硅烷的质量分数为90％；
7、高压浸渍固化：将纤维预制体1随石墨定型工装置于浸渍釜中，首先对浸渍釜抽真空，真空度为-0.05MPa时向浸渍釜内注入浸渍液直至浸渍液完全浸没纤维预制体1，对浸渍釜加温加压，温度为230℃，压力为2MPa，保压时间1小时，然后卸压自然降温至室温；
8、高温裂解：将上述高压浸渍固化后的纤维预制体1随石墨定型工装放入裂解炉中，在高纯氮气气氛下进行高温裂解，炉压为1.0KPa，裂解温度为1300℃，保温0.5小时，自然降温至室温；
9、致密化：重复上述步骤7和步骤8，循环3次后，纤维预制体1从石墨定型工装脱模，再重复步骤7和步骤8，循环3次后，得到连续纤维增韧碳化硅陶瓷2；
10、复合：将连续纤维增韧碳化硅陶瓷2与超高分子量聚乙烯背板3粘接复合为一体，完成连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备。

Claims (3)

1.一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)、纤维预制体的设计及制备：以连续纤维为原料，按照防弹板结构与形状尺寸，编织制备出连续纤维预制体；
(2)、定型工装的设计及制造：根据防弹板结构与形状尺寸设计和制备石墨定型工装，定型工装内腔结构与防弹板结构一致；
(3)、合模定型：将上述纤维预制体置入石墨定型工装内固定，合模后固定定型工装进行定型；
(4)、纤维预制体的热处理：将上述定型后的纤维预制体随石墨定型工装置于真空高温炉中，热处理30min～60min，根据连续纤维的种类，选择不同处理温度，若连续纤维为碳纤维，处理温度为1500℃～1800℃，若连续纤维为碳化硅纤维，处理温度为800℃～1000℃；
(5)、涂覆界面层：将上述纤维预制体随石墨定型工装置于化学气相沉积炉内，进行纤维表面界面层的涂覆，界面由热解碳、碳化硅或氮化硼等材料构成；
(6)、浸渍液的配制：将液态聚碳硅烷与碳化硅粉混合均匀，作为浸渍液，浸渍液中液态聚碳硅烷的质量分数不小于60％；
(7)、高压浸渍固化：将纤维预制体随石墨定型工装置于浸渍釜中，首先对浸渍釜抽真空，真空度为-0.05MPa～-0.10MPa时向浸渍釜内注入浸渍液直至浸渍液完全浸没纤维预制体，对浸渍釜加温加压，温度为200℃～300℃，压力为1MPa～5MPa，保压时间1小时～10小时，然后卸压自然降温至室温；
(8)、高温裂解：将上述高压浸渍固化后的纤维预制体随石墨定型工装放入裂解炉中，在高纯氮气气氛下进行高温裂解，炉压为1.0KPa～4.0KPa，裂解温度为1000℃～1300℃，保温0.5～1小时，自然降温至室温；
(9)、致密化：重复上述步骤(7)和步骤(8)，循环2～4次后，纤维预制体从石墨定型工装脱模，再重复步骤(7)和步骤(8)，直到纤维预制体质量增重小于1％为止，得到连续纤维增韧碳化硅陶瓷；
(10)、复合：将连续纤维增韧碳化硅陶瓷与超高分子量聚乙烯背板粘接复合为一体，完成连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备，所制备的连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板兼具碎弹与防止弹片进一步贯穿的功能，且具有抗多发弹的性能。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，其特征是，所述的纤维预制体的原料为碳纤维或碳化硅纤维。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增韧碳化硅陶瓷防弹板的制备方法，其特征是，所述的纤维预制体结构为单向带、2维缝合、2.5维编织或3维编织。
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