CN111925215A - 一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，包括以下步骤：1）将陶瓷原料粉、粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂按比例混合得到陶瓷料浆；2）对所得陶瓷料浆进行加热真空搅拌除泡，并挥发溶剂达到合适的粘度；3）利用流延成型工艺由陶瓷料浆制备陶瓷流延片，流延速度为0.01‑4 m/min，流延层厚度为0.1‑3.0mm；本发明利用流延工艺时剪切应力对非球形颗粒的定向排布作用，实现非球形颗粒的层状堆叠，这一结构既能发挥层状结构对材料的增强、增韧效果，大大提高陶瓷的防弹性能，又避免了因引入软质层而导致的抗侵彻能力下降。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷制备领域，具体讲是一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法。
背景技术
轻型装甲的主要威胁来自小口径弹的连续命中及破片，由于陶瓷本身的脆性，其抗冲击、多发打击能力较差。层状复合陶瓷能大幅提高材料韧性和断裂功，降低缺陷敏感性，因此有望利用层状陶瓷的特性来获得高抗冲击、高抗多发打击能力的防弹片。其主要机理是，当裂纹沿垂直于层状结构的方向扩展至界面层时，由于材料性质的改变，裂纹将发生偏转、分叉、扭结等现象，大大提高了裂纹扩展所需的能量。目前的专利主要采用交替的材料来制备层状陶瓷防弹片。如专利CN110041076A用凝胶注模法制备陶瓷生坯片，而后不同材料的生坯片叠层、烧结。专利CN110156486A利用流延成型结合热压烧结制备层状陶瓷的方法制备厚薄交替的结构，利用不同层的波阻抗匹配来提高材料的抗冲击性能。但是，引入的软质层本身防弹能力较差，反而会降低防弹片抗侵彻能力。此外，两种流延片交替叠层制备过程较复杂，不利于大批量生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法。
本发明的技术解决方案如下：一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，包括以下步骤：
1）将陶瓷原料粉、粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂按比例混合得到陶瓷料浆；
2）对所得陶瓷料浆进行加热真空搅拌除泡，并挥发溶剂达到合适的粘度；
3）利用流延成型工艺由陶瓷料浆制备陶瓷流延片，流延速度为0.01-4 m/min，流延层厚度为0.1-3.0mm；
4）将陶瓷流延片裁切成防弹片所需尺寸，将流延片叠层，装入钢模，压制成型得到陶瓷生坯；
5）以0.1-5℃/min的速度升温至450-850℃，保温0.1-2h，对生坯进行脱蜡处理；
6）以10-20℃/min的速度升温至1450-2250℃，保温0.5-2h，对生坯烧结，烧结压力10-40MPa ,烧结气氛为Ar、氮气或者真空，随炉冷却至室温。
所述步骤1）中的陶瓷原料粉为碳化硅、碳化硼、氮化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛、氧化钇、氧化锆、氮化硼、石墨粉、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维中的一种或几种且包含球形粉体与非球形粉体，球形粉体满足粒径为0.1- 20μm，非球形粉体满足长径比为2：1至100：1。
所述步骤1）中的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、聚丙烯酸酯、羟丙基甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
所述步骤1中的塑化剂为邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、甘油、聚乙二醇、环氧大豆油、已二酸二辛酯中的一种或几种。
所述步骤1）中的分散剂为鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯、BYK-160中的一种或几种。
所述步骤1）中的溶剂为无水乙醇、正丁醇、正辛醇、丁酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
所述步骤1）中的陶瓷原料粉、粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂的重量比例为（70-100）：（4-18）：（0.2-7）：（1-10）：（70-700）。
所述步骤2）中的加热温度为30-120℃。
优选地，所述步骤2）中合适的粘度为1000-50000cP，一般流延工艺下认为这一粘度范围下阻力较大不利于球磨分散及脱泡，但实践中发现高粘度下料浆通过刮刀时能产生更大的剪切力促进非球形粉定向排布，并在流延干燥过程中能对排布好的非球形陶瓷粉起到很好的固定作用。为了提高料浆粘度并保证分散与脱泡的效果，本发明提出，先制备低粘度料浆，混合均匀之后使用加热真空搅拌，在脱泡的同时也挥发掉一定溶剂，使最终流延时的料浆有较高的粘度，解决了这一矛盾。对于非球形陶瓷粉含量高或是长径比大的配方，粘度应视所用的棒状或片层状的陶瓷粉的含量与长径比而定，在不影响流延质量的情况下尽量提高。
流延成型过程中，料槽中的料浆在膜带的带动下，经过刮刀流出，在形成薄膜。由于刮刀两侧的液面差，料浆在经过刮刀会受到平行于膜带而垂直于刮刀的切剪应力作用。料浆棒状或片层状的陶瓷颗粒会趋于沿此切剪应力的方向排布。本发明利用这一特点，在合适的颗粒尺寸、料浆粘度及流延参数下，非球形陶瓷颗粒能沿薄膜平面方向排布。烧结之后，在定向分布的非球形陶瓷颗粒的分割下形成“砖-泥”结构，进而能起到层状增强、增韧的作用，即能提高材料的抗冲击性能，又无需引入其它材料的弱界面层、降低抗侵彻性能；工艺流程简单，适合大批量生产。
传统复合材料往往直接将增强的棒状或片层状颗粒粉体与基础粉体一起混合，当加入增强粉体的长径比较大时，棒状或片层状颗粒在空间上容易交错支撑，形成“卡片房式结构”，烧结过程难以收缩，严重影响产品的致密度。而本发明避免了“卡片房式结构”的形成，能保证产品的烧结后的密度。
本发明的有益效果是：相比于简单的层状结构，采用“砖-泥”式层状结构能更有效地延长裂纹路径，取得更好的抗冲击性能：片状硬质材料为“砖”，交错堆叠；而软质材料为“泥”，填充于硬质“砖”的间隙中。据此，本发明提出一种新的层状陶瓷结构，不引入弱界面层，而利用流延工艺时剪切应力对非球形颗粒的定向排布作用，实现非球形颗粒的层状堆叠，形成类“砖-泥”结构。这一结构既能发挥层状结构对材料的增强、增韧效果，大大提高陶瓷的防弹性能，又避免了因引入软质层而导致的抗侵彻能力下降。与此同时，只需使用一种流延片，简化了生产工艺。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例1
1）陶瓷原料粉选用碳化硅粉、氮化硅粉、石墨粉，按重量份计准备各原料：碳化硅粉47份，氮化硅粉4份，石墨粉2份，其中碳化硅粉为长径比 > 2：1的棒状α-SiC粉。粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛10份，塑化剂为聚乙二醇4份，分散剂为鲱鱼油2份，溶剂为无水乙醇200份、丁酮200份。首先将氮化硅粉、石墨粉与粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂混合球磨24h，随后加入长径比 > 2：1的棒状α-SiC粉，球磨4 h，得到陶瓷料浆；
2）对所得陶瓷料浆进行真空搅拌除泡，并挥发溶剂至粘度达到3000cP；
3）利用流延成型工艺由陶瓷料浆制备陶瓷流延片，流延层厚度为0.1mm；
4）将陶瓷流延片裁切成300*300mm生坯片，叠层后用压机压制成生坯；
5）以0.1-5℃/min的速度升温至850℃，保温2h，对生坯进行脱蜡处理；
6）以10 ℃/min的速度升温至1950℃，保温1h，烧结压力40MPa ,烧结气氛为真空，随炉冷却至室温。
得到致密样品，密度>3.16 g/cm3，强度 >500 MPa,韧性 >4.5 MPa∙m1/2，此法制备的6 mm防弹插板可以达到国军标GJB4300A-2012的IV级防护标准。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为：
所用陶瓷原料粉为：碳化硅粉94份、氮化硅粉4份、石墨粉2份，片状，长径比>30：1的石墨烯30份；对所得陶瓷料浆进行真空搅拌除泡后至粘度达到50000cP，首先将碳化硅粉、氮化硅粉、石墨粉与粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂混合球磨24h，随后加入片状，长径比>30：1的石墨烯，球磨2 h，得到陶瓷料浆；其余同实施例1；
得到的致密样品，密度> 2.86 g/cm3，强度 > 600 MPa，韧性 >9.0 MPa∙m1/2。
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 (9)
1.一种增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将陶瓷原料粉、粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂按比例混合得到陶瓷料浆；
2）对所得陶瓷料浆进行加热真空搅拌除泡，并挥发溶剂达到合适的粘度；
3）利用流延成型工艺由陶瓷料浆制备陶瓷流延片，流延速度为0.01-4 m/min，流延层厚度为0.1-3.0mm；
4）将陶瓷流延片裁切成防弹片所需尺寸，将流延片叠层，装入钢模，压制成型得到陶瓷生坯；
5）以0.1-5℃/min的速度升温至450-850℃，保温0.1-2h，对生坯进行脱蜡处理；
6）以10-20℃/min的速度升温至1450-2250℃，保温0.5-2h，对生坯烧结，烧结压力10-40MPa，烧结气氛为Ar或者真空，随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的陶瓷原料粉为碳化硅、碳化硼、氮化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛、氧化钇、氧化锆、氮化硼、石墨粉、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维中的一种或几种且包含球形粉体与非球形粉体，球形粉体满足粒径为0.1- 20μm，非球形粉体满足长径比为2：1至100：1。
3.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、聚丙烯酸酯、羟丙基甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的塑化剂为邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、甘油、聚乙二醇、环氧大豆油、已二酸二辛酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的分散剂为鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯、BYK-160中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的溶剂为无水乙醇、正丁醇、正辛醇、丁酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的陶瓷原料粉、粘结剂、塑化剂、分散剂、溶剂的重量比例为（70-100）：（4-18）：（0.2-7）：（1-10）：（70-700）。
8.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的加热温度为30-120℃。
9.根据权利要求1所述的增强型层状陶瓷防弹片的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中合适的粘度为1000-50000cP。
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