CN111825462A - 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲 - Google Patents

金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲 Download PDF

Info

Publication number
CN111825462A
CN111825462A CN202010900803.8A CN202010900803A CN111825462A CN 111825462 A CN111825462 A CN 111825462A CN 202010900803 A CN202010900803 A CN 202010900803A CN 111825462 A CN111825462 A CN 111825462A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon carbide
diamond
graphene
ceramic material
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202010900803.8A
Other languages
English (en)
Inventor
张英豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd filed Critical Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Priority to CN202010900803.8A priority Critical patent/CN111825462A/zh
Publication of CN111825462A publication Critical patent/CN111825462A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B3/00—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C04B2235/425—Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C04B2235/427—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/661—Multi-step sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Abstract

本发明公开了一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，包括金刚石、石墨烯、α相碳化硅和β相碳化硅，其中，金刚石在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20%~40%，石墨烯在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为0.07%~0.15%本发明公开了一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法。本发明公开了一种防弹装甲。

Description

金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域，特别是涉及一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲。
背景技术
反应烧结碳化硅(reaction-sintered silicon car-bide，RSSC)是应用熔融硅浸渗含碳碳化硅陶瓷素坯制得的致密陶瓷烧结体。反应烧结碳化硅既具有碳化硅陶瓷耐高温、耐磨损、抗氧化、抗热震以及高硬度、高热导率等优异性能，又具有烧结工艺简单、烧结时间短、净尺寸烧结等优点，这使得其实现了大规模的工业应用，期望用于航空航天、防弹装甲、发动机叶片、核反应堆容器等多领域。
然而，虽然反应烧结碳化硅具有很多优点，但本质上还是一种脆性材料，这主要由于碳化硅分子结构的键和特点导致的，更关键的是烧结后期液态硅填充孔隙形成的残硅会降低碳化硅陶瓷的硬度、韧性等力学性能，成为限制RSSC陶瓷发展的重要因素。尤其是对于硬度、韧性和抗摩擦性要求较高的防弹装甲领域，现在基本已经舍弃反应烧结碳化硅材料，而改用性能更高的碳化硼材料。碳化硼材料的成本相对于碳化硅大大提高。
发明内容
基于此，有必要针对传统的反应烧结碳化硅硬度差的问题，提供一种成本低，兼具硬度、韧性和耐摩擦性的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲。
一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，包括金刚石、石墨烯、α相碳化硅和β相碳化硅，其中，金刚石在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20%~ 40%，石墨烯在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为0.07 %~ 0.15%。
在其中一个实施例中，α相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为25 %~ 40%，β相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20%~ 40%。
在其中一个实施例中，金刚石的粒径为50μm~150μm。
在其中一个实施例中，石墨烯的粒径为3~5层碳的厚度。
在其中一个实施例中，α相碳化硅的粒径为10μm~15μm。
一种的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
将金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料、醇溶性树脂及溶剂混合得到糊状的混合粉料；
将混合粉料造粒得到预颗粒；
将预颗粒压制成素坯；
将液态金属硅渗入素坯中并进行烧结，烧结温度为1400℃~1600℃，在烧结温度保温时间为1.5 h~2.5h，使得全部的三维碳材料、全部的醇溶性树脂碳化物及少量的金刚石、少量的石墨烯与金属硅反应形成β相碳化硅。
在其中一个实施例中，烧结温度为1450℃~1550℃。
在其中一个实施例中，烧结过程为：以第一升温速度从常温升温至200℃，然后以第二升温速度从200℃升温至300℃，然后以第三升温速度从300℃升温至700℃，然后以第四升温速度从700℃升温至850℃，然后以第五升温速度从850℃升温至烧结温度，其中，第二升温速度和第四升温速度分别小于第一升温速度、第三升温速度及第五升温速度。
在其中一个实施例中，压制成素坯的压力为60MPa ~100MPa。
在其中一个实施例中，金刚石的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的30%~50%，石墨烯的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的0.1%~2%。
在其中一个实施例中，α相碳化硅的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的40%~50%；和/或，三维碳材料的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的5%~10%；和/或，醇溶性树脂的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的的10%或大于10%。
在其中一个实施例中，金刚石的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的30%~40%；和/或，石墨烯的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的0.5%~1%。
在其中一个实施例中，三维碳材料和醇溶性树脂总质量与液态金属硅的质量比为1：（1~1.3）。
在其中一个实施例中，醇溶性树脂为酚醛树脂。
在其中一个实施例中，三维碳材料选自石墨和炭黑中的任意一种或两种。
在其中一个实施例中，得到糊状的混合粉料的步骤包括：
将石墨烯与乙醇溶液混合得到石墨烯分散液；以及
将金刚石、α相碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合。
在其中一个实施例中，将金刚石、α相碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合的步骤包括：将混合物以50g/10min ~200g/10min的投加速度分批投加至石墨烯分散液中。
一种防弹装甲，包括的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料。
本发明的方案中，将金刚石和石墨烯添加到反应烧结碳化硅材料中，金刚石不仅依靠其本身的坚硬度作为反应烧结碳化硅材料的硬度和耐磨增强相，同时在渗硅过程中一部分金刚石作为碳源参与反应形成次生碳化硅填充孔隙，将金刚石与基体连接，从而能够更好地提高反应烧结碳化硅材料的硬度和韧性；此外，石墨烯的加入明显提高了材料的硬度、断裂韧性、弯曲强度和耐磨性。本发明的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料可用于制备防弹装甲。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，包括金刚石、石墨烯、α相碳化硅和β相碳化硅，其中，金刚石在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20%~ 40%，石墨烯在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为 0.07 %~0.15 %。
本发明的方案中，将金刚石和石墨烯添加到反应烧结碳化硅材料中，金刚石不仅依靠其本身的坚硬度作为反应烧结碳化硅材料的硬度和耐磨增强相，同时在渗硅过程中一部分金刚石作为碳源参与反应形成次生碳化硅填充孔隙，将金刚石与基体连接，从而能够更好地提高反应烧结碳化硅材料的硬度和韧性；此外，石墨烯的加入明显提高了材料的硬度、断裂韧性、弯曲强度和耐磨性。
α相碳化硅为反应烧结制备金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料过程中原始加入的碳化硅。β相碳化硅为反应烧结制备过程中金属硅与碳反应形成的碳化硅。在一些实施例中，α相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为25%~ 40%，β相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20 %~ 40%。
在一些实施例中，金刚石的粒径为50μm~150μm。具体的，金刚石的粒径为50μm~80μm、80μm~100μm、100μm~120μm或120μm~150μm。优选的金刚石的粒径为80μm~100μm。
在一些实施例中，石墨烯的粒径为3~5层碳的厚度。具体的，石墨烯的粒径可以为3层、4层、5层的厚度。金刚石、石墨烯在该粒径范围内能够与α相碳化硅、β相碳化硅的配合度更好，从而能够使得材料整体的硬度、断裂韧性、弯曲强度和耐磨性都能够得到提高。
在一些实施例中，α相碳化硅的粒径为10μm~15μm。具体的，α相碳化硅的粒径为10μm~11μm、11μm~12μm、12μm~13μm、13μm~14μm、或14μm~15μm。
在一些实施例中，该金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中还包括少量的金属硅，该金属硅为未与碳反应的过量硅。金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的金属硅的含量小于等于5%。
本发明实施例还提供一种上述任一实施例的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料、醇溶性树脂及溶剂混合得到糊状的混合粉料；
b、将混合粉料造粒得到预颗粒；
c、将预颗粒压制成素坯；
d、将液态金属硅渗入素坯中并进行烧结，烧结温度为1400℃~1600℃，在烧结温度保温时间为1.5 h~2.5h。
本实施例控制烧结的温度为1400℃~1600℃，使得少量的金刚石石墨化，使得全部的三维碳材料、醇溶性树脂碳化物及少量的金刚石、少量的石墨烯充分与金属硅反应形成β相碳化硅，β相碳化硅作为交联网络穿插在整个材料中，金刚石和石墨烯并非仅是通过压制物理结合在基体材料中，少量石墨化的金刚石或石墨烯通过与硅的反应结合在基体中，从而能够提高材料整体的紧致性和各组分的结合牢固性，进而充分发挥金刚石和石墨烯对于材料整体硬度、断裂韧性、弯曲强度和耐磨性方面的增强作用。
在步骤a中，得到糊状的混合粉料的步骤可以包括：将石墨烯与溶剂混合得到石墨烯分散液，溶剂可选自乙醇；然后将金刚石、α相碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合。
优选的，将金刚石、碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合的步骤可以包括：将混合物以50g/10min ~200g/10min的投加速度分批投加至石墨烯分散液中。
在一些实施例中，金刚石的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的30%~50%，具体可以30%~35%、35%~40%、40%~45%或45%~50%。优选为30%~40%。
在一些实施例中，石墨烯的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的0.1%~2%。具体可以为0.1%~0.5%、0.5%~1%、1%~1.5%或1.5%~2%。优选为0.5%~1%。
在一些实施例中，α相碳化硅的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的40%~50%。
在一些实施例中，醇溶性树脂的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的10%或大于10%，例如10%~25%。优选的，醇溶性树脂为酚醛树脂。在本实施例中，酚醛树脂主要有三个方面的作用：第一，酚醛树脂作为粘结剂，将素坯中的各组分粘结为一体结构；第二，酚醛树脂在烧结过程碳化，作为补充碳源与金属硅反应形成β相碳化硅；第三，酚醛树脂在烧结过程中分解形成孔结构，该孔结构可作为渗硅通道使得金属硅通过该孔结构渗入素坯中与三维碳材料、酚醛树脂的碳化物及少部分金刚石的石墨化产物反应形成β相碳化硅，孔结构加快了渗硅过程并且增加了碳硅结合位点，增加了β相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的结合网络密度，最终提高改性碳化硅的机械强度。
三维碳材料在原料中作为碳源，与液态金属硅反应形成β相碳化硅。在一些实施例中，三维碳材料可选自石墨和炭黑中的任意一种或两种。在一些实施例中，三维碳材料的粒径为5μm~10μm。例如可以为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。在一些实施例中，三维碳材料的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的5%~10%。
在一些实施例中，三维碳材料和醇溶性树脂总质量与液态金属硅的质量的比值为1：（1~1.3）。
步骤b中的造粒方法可以为喷雾造粒。通过造粒，将各组分均匀混锁在颗粒中，避免处理过程中造成部分组分的沉降，使得材料的混合不均匀。
步骤c中，压制成素坯的压力可以为60MPa~100MPa。具体可以为60MPa ~70MPa、70MPa~80MPa、80MPa~90MPa或90MPa~100MPa。压力较常规的压制压力更大一些，使得硬度较大的金刚石能够更好的压制在整个基体中，提高素坯的堆积密度。
步骤d中，将液态金属硅渗入素坯的步骤可以为将固体金属硅压制成片状，然后将片状的金属硅叠加在素坯上，从而在烧结加热过程中，固体金属硅熔化渗入素坯中。
烧结的温度对于本发明金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备是至关重要的，本发明的目的是使得少量的金刚石石墨化。烧结温度过高则会使得金刚石大量的石墨化，失去金刚石原本的强机械性能；烧结温度过低则没有金刚石石墨化，无法使得金刚石与硅结合反应，则金刚石在材料基体中的结合牢度不够。优选的，烧结温度为1450℃~1550℃，例如可以为1450℃~1500℃或1500℃~1550℃。
优选的，烧结过程为：以第一升温速度从常温升温至200℃，然后以第二升温速度从200℃升温至300℃，然后以第三升温速度从300℃升温至700℃，然后以第四升温速度从700℃升温至850℃，然后以第五升温速度从850℃升温至烧结温度，其中，第二升温速度和第四升温速度分别小于第一升温速度、第三升温速度及第五升温速度。本实施例通过在200℃~300℃、700℃~850℃的温度范围时减慢升温的速度，在这两个区段分别进行树脂的交联和分解过程，使材料更长时间的停留在这两个区段，能够使得树脂更好的完成交联和分解，从而树脂分解能够形成结构更均匀的孔结构，提高渗硅的均匀性，从而提高整个材料的组分均匀性，最终体现为整体硬度、断裂韧性、弯曲强度和耐磨性的提高。优选的，第二升温速度、第四升温速度分别为2℃/min~5℃/min。第一升温速度、第三升温速度、第五升温速度分别为10℃/min~30℃/min。
优选的，烧结过程中的真空度小于等于10pa。
在一些实施例中，烧结步骤完成后还包括冷却的步骤，通过冷却消除材料内应力。
在一些实施例中，还包括在冷却步骤之后对金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料进行除硅的步骤，将未渗入素坯中或未反应的硅渣从材料中去除。在一实施例中，除硅的步骤可以为喷砂处理。
本发明实施例还提供一种防弹装甲，包括上述任一实施例的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料或者上述任一实施例的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法制备得到的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料。本发明的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料制备的防弹装甲能够抵抗大口径子弹的冲击。
以下为具体实施例。
实施例1：
（1）混合：将α相碳化硅（粒径约10μm，α相碳化硅占混合粉料固体总质量的40%）、金刚石（粒径约100μm，金刚石占混合粉料固体总质量的30%）、石墨烯（5层碳厚度石墨烯，石墨烯占混合粉料固体总质量的0.5%）、石墨（粒径约5μm，石墨占混合粉料固体总质量的5%）、酚醛树脂分别进行取料，称重；将石墨烯置于烧杯中，倒入酒精后在超声细胞粉碎仪中超声分散0.5h得到石墨烯分散液；将α相碳化硅、金刚石、石墨和酚醛树脂均匀混合得到的混合物分批（100g/10min）加入到超声分散好的石墨烯分散液中，在转速100r/min，加热温度40℃℃的装置中混合1h，获得半固态糊状的混合粉料。
（2）造粒：将混合粉料进行喷雾造粒，得到原料的预颗粒。
（3）压制：将预颗粒倒入磨具中，在60MPa压力下压制成素坯。
（4）配硅：取硅含量大于99%的金属硅粉压制成硅饼。
（5）烧结：将硅饼重叠放置在素坯上，并置于真空炉中进行烧结，烧结温度为1500℃，真空度小于等于10pa，烧结时间2.5h；烧结过程为：以第一升温速度从常温升温至200℃，然后以第二升温速度从200℃升温至300℃，然后以第三升温速度从300℃升温至700℃，然后以第四升温速度从700℃升温至850℃，然后以第五升温速度从850℃升温至烧结温度，其中，第二升温速度、第四升温速度分别为3℃/min，第一升温速度、第三升温速度、第五升温速度分别为20℃/min。
（6）冷却：将烧结成型的板材随炉冷却，冷却至常温取出。
（7）除硅：将表面残余的硅渣进行喷砂处理。
实施例2：
（1）混合：将α相碳化硅（粒径约8μm，α相碳化硅占混合粉料固体总质量的50%）、金刚石（粒径约80μm，金刚石占混合粉料固体总质量的40%）、石墨烯（4层碳厚度石墨烯，石墨烯占混合粉料固体总质量的1%）、石墨（粒径约5μm，石墨占混合粉料固体总质量的10%）、酚醛树脂分别进行取料，称重；将石墨烯置于烧杯中，倒入酒精后在超声细胞粉碎仪中超声分散1h得到石墨烯分散液；将α相碳化硅、金刚石、石墨和酚醛树脂均匀混合得到的混合物分批（100g/10min）加入到超声分散好的石墨烯分散液中，在转速100r/min，加热温度60℃的装置中混合1h，获得半固态糊状的混合粉料。
（2）造粒：将混合粉料进行喷雾造粒，得到原料的预颗粒。
（3）压制：将预颗粒倒入磨具中，在80MPa压力下压制成素坯。
（4）配硅：取硅含量大于99%的金属硅粉压制成硅饼。
（5）烧结：将硅饼重叠放置在素坯上，并置于真空炉中进行烧结，烧结温度为1550℃，真空度小于等于10pa，烧结时间1.5h。
（6）冷却：将烧结成型的板材随炉冷却，冷却至常温取出。
（7）除硅：将表面残余的硅渣进行喷砂处理。
实施例3：
（1）混合：将α相碳化硅（粒径约10μm，α相碳化硅占混合粉料固体总质量的40%）、金刚石（粒径约90μm，金刚石占混合粉料固体总质量的50%）、石墨烯（3层碳厚度石墨烯，石墨烯占混合粉料固体总质量的0.8%）、石墨（粒径约5μm，石墨占混合粉料固体总质量的8%）、酚醛树脂分别进行取料，称重；将石墨烯置于烧杯中，倒入酒精后在超声细胞粉碎仪中超声分散1h得到石墨烯分散液；将α相碳化硅、金刚石、石墨和酚醛树脂均匀混合得到的混合物分批（100g/10min）加入到超声分散好的石墨烯分散液中，在转速100r/min，加热温度450℃的装置中混合1h，获得半固态糊状的混合粉料。
（2）造粒：将混合粉料进行喷雾造粒，得到原料的预颗粒。
（3）压制：将预颗粒倒入磨具中，在70MPa压力下压制成素坯。
（4）配硅：取硅含量大于99%的金属硅粉压制成硅饼。
（5）烧结：将硅饼重叠放置在素坯上，并置于真空炉中进行烧结，烧结温度为1450℃，真空度小于等于10pa，烧结时间2h。
（6）冷却：将烧结成型的板材随炉冷却，冷却至常温取出。
（7）除硅：将表面残余的硅渣进行喷砂处理。
实施例4：
（1）混合：将α相碳化硅（粒径约10μm，α相碳化硅占混合粉料固体总质量的40%）、金刚石（粒径约300μm，金刚石占混合粉料固体总质量的30%）、石墨烯（4层碳厚度石墨烯，石墨烯占混合粉料固体总质量的0.5%）、石墨（粒径约5μm，石墨占混合粉料固体总质量的5%）、酚醛树脂分别进行取料，称重；将石墨烯置于烧杯中，倒入酒精后在超声细胞粉碎仪中超声分散1h得到石墨烯分散液；将α相碳化硅、金刚石、石墨和酚醛树脂均匀混合得到的混合物分批（100g/10min）加入到超声分散好的石墨烯分散液中，在转速100r/min，加热温度40℃℃的装置中混合1h，获得半固态糊状的混合粉料。
（2）造粒：将混合粉料进行喷雾造粒，得到原料的预颗粒。
（3）压制：将预颗粒倒入磨具中，在90MPa压力下压制成素坯。
（4）配硅：取硅含量大于99%的金属硅粉压制成硅饼。
（5）烧结：将硅饼重叠放置在素坯上，并置于真空炉中进行烧结，烧结温度为1580℃，真空度小于等于10pa，烧结时间1.5h。
（6）冷却：将烧结成型的板材随炉冷却，冷却至常温取出。
（7）除硅：将表面残余的硅渣进行喷砂处理。
实施例5：
（1）混合：将α相碳化硅（粒径约10μm，α相碳化硅占混合粉料固体总质量的40%）、金刚石（粒径约100μm，金刚石占混合粉料固体总质量的35%）、石墨烯（3层碳厚度石墨烯，石墨烯占混合粉料固体总质量的0.5%）、石墨（粒径约5μm，石墨占混合粉料固体总质量的5%）、酚醛树脂分别进行取料，称重；将石墨烯、α相碳化硅、金刚石、石墨和酚醛树脂中加入酒精，在转速100r/min，加热温度45℃的装置中混合1h，获得半固态糊状的混合粉料。
（2）造粒：将混合粉料进行喷雾造粒，得到原料的预颗粒。
（3）压制：将预颗粒倒入磨具中，在70MPa压力下压制成素坯。
（4）配硅：取硅含量大于99%的金属硅粉压制成硅饼。
（5）烧结：将硅饼重叠放置在素坯上，并置于真空炉中进行烧结，烧结温度为1450℃，真空度小于等于10pa，烧结时间1.5h。
（6）冷却：将烧结成型的板材随炉冷却，冷却至常温取出。
（7）除硅：将表面残余的硅渣进行喷砂处理。
对比例1：
对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（1）中混合粉料不加入金刚石和石墨烯，用等量的α相碳化硅代替。
对比例2：
对比例2与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（1）中混合粉料不加入金刚石，用等量的α相碳化硅代替。
对比例3：
对比例3与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（1）中混合粉料不加入石墨烯，用等量的α相碳化硅代替。
对比例4：
对比例4与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（5）中烧结温度为1650℃。
对比例5：
对比例5与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（5）中烧结温度为1300℃。
对比例6：
对比例6与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤（5）中从常温始终以30℃/min的升温速度升至烧结温度。
将实施例1-5和对比例1-6制备得到的碳化硅材料在相同的检测条件下进行机械性能测定，结果如表1所示。
Figure RE-24711DEST_PATH_IMAGE001
注：“+”表示机械性能的强度，“+”越多，表明性能越强。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，其特征在于，包括金刚石、石墨烯、α相碳化硅和β相碳化硅，其中，金刚石在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为 20%~40%，石墨烯在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为 0.07%~ 0.15 %。
2.根据权利要求1所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，其特征在于，α相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为25 %~ 40%，β相碳化硅在金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料中的质量百分数为20 %~ 40 %。
3.根据权利要求1-2任一项所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，其特征在于，金刚石的粒径为50μm~150μm。
4.根据权利要求1-2任一项所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，其特征在于，石墨烯的粒径为5~10层碳的厚度。
5.根据权利要求1-2任一项所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料，其特征在于，α相碳化硅的粒径为10μm~15μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料、醇溶性树脂及溶剂混合得到糊状的混合粉料；
将混合粉料造粒得到预颗粒；
将预颗粒压制成素坯；
将液态金属硅渗入素坯中并进行烧结，烧结温度为1400℃~1600℃，在烧结温度保温时间为1.5 h~2.5h，使得全部的三维碳材料、全部的醇溶性树脂碳化物及少量的金刚石、少量的石墨烯与金属硅反应形成β相碳化硅。
7.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，烧结温度为1450℃~1550℃。
8.根据权利要求7所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，烧结过程为：以第一升温速度从常温升温至200℃，然后以第二升温速度从200℃升温至300℃，然后以第三升温速度从300℃升温至700℃，然后以第四升温速度从700℃升温至850℃，然后以第五升温速度从850℃升温至烧结温度，其中，第二升温速度和第四升温速度分别小于第一升温速度、第三升温速度及第五升温速度。
9.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，压制成素坯的压力为60MPa ~100MPa。
10.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，金刚石的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的30%~50%，石墨烯的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的0.1%~2%。
11.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，α相碳化硅的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的40%~50%；和/或，三维碳材料的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的5%~10%；和/或，醇溶性树脂的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的10%或大于10%。
12.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，金刚石的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的30%~40%；和/或，石墨烯的质量为金刚石、石墨烯、α相碳化硅、三维碳材料和醇溶性树脂总质量的0.5%~1%。
13.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，三维碳材料和醇溶性树脂总质量与液态金属硅的质量比为1：（1 ~1.3）。
14.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，醇溶性树脂为酚醛树脂。
15.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，三维碳材料选自石墨和炭黑中的任意一种或两种。
16.根据权利要求6所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，得到糊状的混合粉料的步骤包括：
将石墨烯与乙醇溶液混合得到石墨烯分散液；以及
将金刚石、α相碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合。
17.根据权利要求16所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，将金刚石、α相碳化硅、三维碳材料及醇溶性树脂的混合物与石墨烯分散液混合的步骤包括：将混合物以50g/10min ~200g/10min的投加速度分批投加至石墨烯分散液中。
18.一种防弹装甲，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料。
CN202010900803.8A 2020-09-01 2020-09-01 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲 Withdrawn CN111825462A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010900803.8A CN111825462A (zh) 2020-09-01 2020-09-01 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010900803.8A CN111825462A (zh) 2020-09-01 2020-09-01 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111825462A true CN111825462A (zh) 2020-10-27

Family

ID=72918633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010900803.8A Withdrawn CN111825462A (zh) 2020-09-01 2020-09-01 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111825462A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112939604A (zh) * 2021-02-01 2021-06-11 奉化市飞固凯恒密封工程有限公司 一种高导热碳化硅材料及其制备方法
CN114133271A (zh) * 2021-12-28 2022-03-04 河南联合精密材料股份有限公司 一种金刚石-碳化硅复合陶瓷及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104926313A (zh) * 2015-06-29 2015-09-23 山东大学 一种高热导率反应烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法
CN107353007A (zh) * 2017-07-13 2017-11-17 华通信安(北京)科技发展有限公司 一种金刚石/碳化硅复合材料及其制备方法
CN107602131A (zh) * 2017-09-18 2018-01-19 山东理工大学 一种碳化硅复相陶瓷
CN107778012A (zh) * 2017-09-18 2018-03-09 山东理工大学 一种碳化硅复相陶瓷的制备方法
CN108165792A (zh) * 2017-12-15 2018-06-15 北京科技大学广州新材料研究院 一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺
JP2019189500A (ja) * 2018-04-26 2019-10-31 トーメイダイヤ株式会社 硬さの向上したダイヤモンド／炭化ケイ素複合体の製造方法及びかかる複合体
CN110819313A (zh) * 2019-11-08 2020-02-21 北京科技大学广州新材料研究院 金刚石-碳化硅复合材料的制备方法以及电子设备

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104926313A (zh) * 2015-06-29 2015-09-23 山东大学 一种高热导率反应烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法
CN107353007A (zh) * 2017-07-13 2017-11-17 华通信安(北京)科技发展有限公司 一种金刚石/碳化硅复合材料及其制备方法
CN107602131A (zh) * 2017-09-18 2018-01-19 山东理工大学 一种碳化硅复相陶瓷
CN107778012A (zh) * 2017-09-18 2018-03-09 山东理工大学 一种碳化硅复相陶瓷的制备方法
CN108165792A (zh) * 2017-12-15 2018-06-15 北京科技大学广州新材料研究院 一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺
JP2019189500A (ja) * 2018-04-26 2019-10-31 トーメイダイヤ株式会社 硬さの向上したダイヤモンド／炭化ケイ素複合体の製造方法及びかかる複合体
CN110819313A (zh) * 2019-11-08 2020-02-21 北京科技大学广州新材料研究院 金刚石-碳化硅复合材料的制备方法以及电子设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112939604A (zh) * 2021-02-01 2021-06-11 奉化市飞固凯恒密封工程有限公司 一种高导热碳化硅材料及其制备方法
CN114133271A (zh) * 2021-12-28 2022-03-04 河南联合精密材料股份有限公司 一种金刚石-碳化硅复合陶瓷及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020135404A1 (zh) 一种Ti(C,N)基超硬金属复合材料及其制备方法
CN102219536B (zh) 一种B4C/SiC晶须/SiC复相陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110304923B (zh) 一种基于颗粒级配的碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法
CN101967059B (zh) 一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法
CN111825462A (zh) 金刚石石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲
CN111825461A (zh) 石墨烯改性碳化硅陶瓷材料及其制备方法及防弹装甲
CN112194492B (zh) 氮化硅陶瓷材料及其制备方法与应用、防弹插板
US20110175264A1 (en) High Toughness Ceramic Composites
CN113121237A (zh) 一种碳化硼基复合陶瓷及其制备工艺
EP2456733A2 (en) Methods of forming sintered boron carbide
CN113121242A (zh) 一种短切碳纤维增韧碳化硅复合材料及其制备方法
CN109136713A (zh) 一种制备高强度高韧性WC-Co硬质合金的方法
CN109354504B (zh) 一种碳化硼基复合陶瓷烧结助剂及烧结工艺
CN110183231B (zh) 一种高强高韧碳化硼基陶瓷材料的制备方法及其陶瓷材料
KR20190048811A (ko) 우수한 열전도도 및 열내구성을 가지는 탄화규소 소결체의 제조방법
CN113620713A (zh) 一种WC/VCx硬质材料及其制备方法和应用
CN1046317C (zh) 金属陶瓷制造技术
CN110981489B (zh) 一种TiNx-Ti3SiC2复合材料及其制备方法
CN113880557A (zh) AL2O3-cBN基陶瓷刀具材料及其制备方法
CN101255557B (zh) 一种合成反应等离子熔覆粉末及其制备工艺
RU2621241C1 (ru) Наноструктурированный композиционный материал на основе карбида бора и способ его получения
CN115259859B (zh) 一种碳化硼防弹陶瓷材料及其制备方法
CN112723887A (zh) 一种电离室用高致密超细颗粒石墨的制备方法
CN110004346B (zh) 一种Cr-C-N基金属陶瓷及其制备方法
KR20200075463A (ko) 자동차 조향장치에 사용되는 철계금속부품 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20201027

WW01 Invention patent application withdrawn after publication