CN108516831B - 一种防弹陶瓷整板的制备方法 - Google Patents

一种防弹陶瓷整板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备浆料，原料放入混料制浆设备中，球磨10～24h，搅拌均匀制备成所需浆料；(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，(3)采用两步加压的方式进行加压注浆成型，(4)将陶瓷生坯至于烘箱中在30～150℃的温度下干燥5～24小时后得到陶瓷干坯；(5)将陶瓷干坯在置于烧结炉中烧成得到陶瓷插板。该方法通过改变陶瓷浆料的配方和两步成型工艺条件，实现了一步加工出层状防弹陶瓷整板，且制备工艺简单，具有优异的抗弹性能。

Description

一种防弹陶瓷整板的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷成型技术领域，涉及一种防弹陶瓷整板的成型制备方法。
背景技术
陶瓷防弹板是防弹衣的最重要的组成部分，而现有陶瓷防弹板主要包含小块拼接和整体式两种。小块拼接式防弹板相比整体式防弹板，不但生产复杂，而且接缝处存在较高的安全隐患。而整体防弹板不存在接缝，整体防弹陶瓷板在受到子弹打击时很容易造成整板全部破裂，造成整体防弹板多发子弹的能力大幅下降。
专利号为CN104016680B,2016.01.20公开的“一种B4C基层状陶瓷复合材料及其制备方法”专利，采用热压法制备出了以B4C-Ti-C陶瓷层和B4C-Si陶瓷层复合的层状陶瓷。采用这种方法所制备出的层状陶瓷虽然具有较好的韧性，有利于防弹性能的提高，但是由于采用的热压法进行制备，其成本高、而且生产效率低，难以满足防弹板增加需求。
专利号为CN104329988B,2017,02,08公开的“一种防弹陶瓷片及其制备方法”专利中先将Al2O3、Y2O3和MgO的组合物进行初次压制，制成片状式样的组合物片；然后将SiC+Si的组合物进行初次压制，制成片状式样的组合物片；最终将两种组合物片再进行二次压制，烧成得到具有复合式三明治结构的防弹陶瓷片。这种方法所制备出的层状陶瓷由于组份的差别使得能形成约五层的陶瓷结构，但是其制备方法复杂，需要通过至少三次压制才能得到所需的结构。
目前也有很多其他方法来进行层状陶瓷的制备方法，例如首先通过流延或凝胶注模成型得到薄状陶瓷，然后在进行干压叠层的方法，最后通过无压烧结或热压烧结得到所需的层状陶瓷结构。但是这种方法工艺繁琐，很难实现一步成型叠层陶瓷的方法，而且层与层之间的容易产生气泡、裂纹等明显缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种通过改变陶瓷浆料的配方和两步加压成型工艺条件，实现了一步加工出层状防弹陶瓷整板，制备工艺简单，且具有优异的抗弹性能的防弹陶瓷整板的成型制备方法。
本发明的技术方案是，提供一种具有以下步骤的包括如下步骤：
(1)制备浆料，所述浆料包括以下重量百分比的各组分：
陶瓷粉体为60～95wt％，
碳源为5～40wt％，
分散剂为0.1～8wt％，
结合剂为0.1～10wt％,
去离子水为20～50wt％，
以上各组分重量之和为100％；
将以上这些原料放入混料制浆设备中，球磨10～24h，混合均匀制备成所需浆料；
(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，其中模具的前模和后模都为多孔树脂模具，前模内部形状为与整体防弹板形状相同的腔体，其中前模的腔体内壁设有一个注浆孔，后模为与整体防弹板凹面曲率相同的曲面，前模与后模合模后形成一个与整体防弹板相同的型腔；多孔树脂气孔中位径约为5～50μm，气孔率为20～40％；
(3)采用两步加压的方式进行加压注浆成型：首先将注浆压力从0MPa，在5～200s内增大到3～10MPa，在此压力下保压10～300s，此时形成整体防弹板的上层和下层；然后待保压结束后在1～100s内将注浆压力降低压力到0.1～3MPa、再保压为10～500s；此时形成为整体防弹板的上层和下层之间的中间层；最后在1～200s内完全释放压力，脱模得到层状的陶瓷生坯；
(4)将陶瓷生坯至于烘箱中在30～150℃的温度下干燥5～24小时后得到陶瓷干坯；
(5)将陶瓷干坯在置于烧结炉中烧成，烧成时最高温度为1450～2200℃，保温0.5～3h，随炉降温得到陶瓷整板。
所述陶瓷粉体为包括碳化硅、碳化硼中的一种或两种混合。
所述碳源为炭黑、石墨粉、焦炭粉、石油焦粉中的一种或一种以上混合。
所述分散剂为聚丙烯酸铵、聚乙烯亚胺、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、聚乙二醇、聚乙烯比咯烷酮中的一种或一种以上混合。
所述结合剂为葡萄糖、糊精、羧甲基纤维素钠、阿拉伯树胶、黄原胶、酚醛树脂、聚乙烯醇、丙烯酸、亚硫酸纸浆废液中的一种或一种以上混合。
所述的陶瓷整板包括单曲面整板以及多曲面整板，整板的厚度为3～20mm。
所述的陶瓷整板为包括上层、下层和中间层三层结构，其中中间层的厚度为0.1～3mm。
所述高压注浆成型机为专用高压注浆成型机，注浆成型压力为0.1～10MPa。
采用以上步骤后，本发明技术与现有技术相比，具有以下优点：采用高压注浆成型工艺，使得浆料在加压的情况下浆料中的水分从模具孔隙排出，实现固液分离、成型于模具表面；模具前后模都为多孔树脂使得浆料既能成型于前模，也能成型与后模，从而出现前后模先成型，而中间层后成型的现象；通过两步加压的工艺技术，先通过较高的压力使得前后模成型速率较快，控制此时的保压时间使得整板坯体上下层成型固化，而中间层还未完全固化的状态，然后通过进一步降低注浆压力使得中间层成型固化，此时中间层虽然能固化，但是由于注浆压力的降低，使得所形成的坯体密度相对较低，从而使得坯体上下层之间形成一层过度层，过度层的厚度通过注浆时间可以控制在约0.1～3mm，所制备出的整板为层状结构；以这种方法制备出的防弹陶瓷整板不但提高了其的抗多发子弹的能力，其主要原因为层状防弹陶瓷整板的韧性提高，当其受到子弹冲击时，初始产生的裂纹扩展到在中间层界面时受到阻碍而发生偏折及耗散，有效地减弱降低了裂纹的继续扩展，从而不会使得整板全部破损，有效的提高了防弹性能；另外，这种制备工艺简单，适合大规模推广。
附图说明
图1为本发明的多孔树脂模具的剖面结构示意图。
图2为本发明加工出来的防弹陶瓷整板的剖面结构示意图。
如图所示：1、前模，2、后模，3、中间层，4、上层，5、下层。
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。
结合图1和图2所示
下实施例1：
(1)将70wt％碳化硅粉、5wt％炭黑、0.5wt％聚丙烯酸铵、0.5wt％酚醛树脂、24wt％去离子水球磨混合24小时，得到所需浆料。
(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，其中模具的前模1和后模2都为多孔树脂模具，前模1内部形状为与整体防弹板形状相同的腔体，其中前模1腔体内壁设有一个注浆孔，后模2为与整体防弹板凹面曲率相同的曲面，前模1与后模2合模后形成一个与整体防弹板相同的型腔；
(3)将以上制备好的浆料通过高压注浆成型机成型出所需的生坯试样，其中注浆条件为，注浆成型压力在30s内由0.1MPa增加到4MPa，在4MPa的高压下保压200s；此时形成整体防弹板的上层4和下层5；然后10s内降低注浆压力到1MPa，在1MPa压力下保压约50s；此时形成为整体防弹板的上层4和下层5之间的中间层3，最后5s内卸压，打开模具脱模，得到陶瓷生坯。
(4)将陶瓷生坯至于烘箱中，在50℃下干燥12小时，然后再升温至110℃干燥5小时，得陶瓷干坯。
(5)将陶瓷干坯在脱蜡炉中脱蜡后进行渗硅烧结，在真空气氛下最高温1750℃，保温1h，随炉降温得到陶瓷整板。陶瓷整板的烧后密度3.02g/cm3，弯曲强度为302～422MPa，陶瓷整板的分为前后两层，中间层厚度约为0.2mm。通过对样品进行打靶防弹性能测试，根据NIJ 0101.06Ⅲ级要求进行连续3发7.62mm NATO FMJ的有效射击，结果显示出整板防弹板均未被穿透，最大背衬凹陷深度为37.2mm，表明这种层状防弹陶瓷整板具有优异的防弹性能。
实施例2：
(1)将70wt％碳化硅粉、5wt％炭黑、0.5wt％聚丙烯酸铵、0.5wt％酚醛树脂、24wt％去离子水球磨混合24小时，得到所需浆料。
(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，其中模具的前模1和后模2都为多孔树脂模具，前模1内部形状为与整体防弹板形状相同的腔体，其中前模1腔体内壁设有一个注浆孔，后模2为与整体防弹板凹面曲率相同的曲面，前模1与后模2合模后形成一个与整体防弹板相同的型腔；
(3)将以上制备好的浆料通过高压注浆成型机成型出所需的生坯试样，其中注浆条件为，注浆成型压力在30s内由0.1MPa增加到4MPa，在4MPa的高压下保压220s；此时形成整体防弹板的上层4和下层5；然后10s内降低注浆压力到0.5MPa，在0.5MPa压力下保压约50s；此时形成为整体防弹板的上层4和下层5之间的中间层3，最后5s内卸压、打开模具脱模，得到陶瓷生坯。
(4)将陶瓷生坯至于烘箱中，在50℃下干燥12小时，然后再升温至110℃干燥5小时，得到陶瓷干坯。
(5)将陶瓷干坯在脱蜡炉中脱蜡后进行渗硅烧结，在真空气氛下最高温1750℃保温1h，随炉降温得到陶瓷整板，陶瓷整板的烧后密度3.02g/cm3，弯曲强度为302～422MPa，陶瓷整板的分为前后两层，中间层厚度约为0.1mm。通过对样品进行打靶防弹性能测试，根据NIJ 0101.06Ⅲ级要求进行连续3发7.62mm NATO FMJ的有效射击，结果显示出整板防弹板均未被穿透，最大背衬凹陷深度为32.4mm，表明这种层状防弹陶瓷整板具有优异的防弹性能。
实施例3：
(1)将65wt％碳化硼粉、8wt％石墨粉、1.0wt％聚丙烯酸铵、0.5wt％黄原胶、25.5wt％去离子水球磨混合24小时，得到所需浆料。
(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，其中模具的前模1和后模2都为多孔树脂模具，前模1内部形状为与整体防弹板形状相同的腔体，其中前模1腔体内壁设有一个注浆孔，后模2为与整体防弹板凹面曲率相同的曲面，前模1与后模2合模后形成一个与整体防弹板相同的型腔；
(3)将以上制备好的浆料通过高压注浆成型机成型出所需的生坯试样，其中注浆条件为，注浆成型压力在50s内由0.1MPa增加到5MPa，在5MPa的高压下保压300s；此时形成整体防弹板的上层4和下层5；然后10s内降低注浆压力到2MPa，在2MPa压力下保压约50s；此时形成为整体防弹板的上层4和下层5之间的中间层3，最后5s内卸压、打开模具脱模得到陶瓷生坯。
(4)将陶瓷生坯至于烘箱中，在50℃下干燥12小时，然后再升温至110℃干燥5小时，得到陶瓷干坯。
(5)将陶瓷干坯在脱蜡炉中脱蜡后进行渗硅烧结，在真空气氛下最高温1580℃保温2h，随炉降温得到陶瓷整板，陶瓷整板的烧后密度2.55～2.65/cm3，弯曲强度为251～322MPa，陶瓷整板的分为前后两层，中间层厚度约为0.1mm。通过对样品进行打靶防弹性能测试，根据NIJ 0101.06Ⅲ级要求进行连续3发7.62mm NATO FMJ的有效射击，结果显示出整板防弹板均未被穿透，最大背衬凹陷深度为30.5mm，表明这种层状防弹陶瓷整板具有优异的防弹性能。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备浆料，所述浆料包括以下重量百分比的各组分：
陶瓷粉体为60～95wt％，
碳源为5～40wt％，
分散剂为0.1～8wt％，
结合剂为0.1～10wt％,
去离子水为20～50wt％，
以上各组分重量之和为100％；
将以上这些原料放入混料制浆设备中，球磨10～24h，混合均匀制备成所需浆料；
(2)采用高压注浆成型机将制备好的浆料注入到模具中，其中模具的前模和后模都为多孔树脂模具，前模内部形状为与整体防弹板形状相同的腔体，其中前模的腔体内壁设有一个注浆孔，后模为与整体防弹板凹面曲率相同的曲面，前模与后模合模后形成一个与整体防弹板相同的型腔；多孔树脂气孔中位径约为5～50μm，气孔率为20～40％；
(3)采用两步加压的方式进行加压注浆成型：首先将注浆压力从0MPa，在5～200s内增大到3～10MPa，在此压力下保压10～300s，此时形成整体防弹板的上层和下层；然后待保压结束后在1～100s内将注浆压力降低压力到0.1～3MPa、再保压为10～500s；此时形成为整体防弹板的上层和下层之间的过渡层；最后在1～200s内完全释放压力，脱模得到层状的陶瓷生坯；
(4)将陶瓷生坯至于烘箱中在30～150℃的温度下干燥5～24小时后得到陶瓷干坯；
(5)将陶瓷干坯在置于烧结炉中烧成，烧成时最高温度为1450～2200℃，保温0.5～3h，随炉降温得到陶瓷整板。
2.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体为包括碳化硅、碳化硼中的一种或两种混合。
3.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述碳源为炭黑、石墨粉、焦炭粉、石油焦粉中的一种或一种以上混合。
4.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酸铵、聚乙烯亚胺、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、聚乙二醇、聚乙烯比咯烷酮中的一种或一种以上混合。
5.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述结合剂为葡萄糖、糊精、羧甲基纤维素钠、阿拉伯树胶、黄原胶、酚醛树脂、聚乙烯醇、丙烯酸、亚硫酸纸浆废液中的一种或一种以上混合。
6.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷整板包括单曲面整板以及多曲面整板，整板的厚度为3～20mm。
7.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述陶瓷整板为包括上层、下层和中间层三层结构，其中中间层的厚度为0.1～3mm。
8.根据权利要求1所述的一种防弹陶瓷整板的制备方法，其特征在于：所述高压注浆成型机为专用高压注浆成型机，注浆成型压力为0.1～10MPa。
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