CN111960850A - 一种碳化硼复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种碳化硼复合材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

碳化硼硬度高，其对于动能弹和弹药碎片的防御能力很强，而且碳化硼质量较轻，是制备防弹衣、防护装甲的理想材料。本发明通过制备同时具有致密层和多孔层的碳化硼复合材料，使材料同时具有高硬度和吸波性能，提高材料应用防弹材料时的抗冲击能力。

Description

一种碳化硼复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种防弹材料领域，特别是一种碳化硼复合材料。
背景技术
碳化硼又称黑钻石，通常为灰黑色微粉，是一种新型陶瓷材料，具有熔点高、硬度高、密度低、热稳定性好、抗化学侵蚀能力强和中子吸收能力强等特点，因而被广泛应用于能源、军事、核能以及防弹领域。碳化硼最重要的性能是其超常的硬度，是仅次于金刚石和立方氮化硼的第三硬材料，碳化硼近于恒定的高温硬度是其它材料所无法比拟的。
由于碳化硼硬度高，其对于动能弹和弹药碎片的防御能力很强，而且碳化硼质量较轻，是制备防弹衣、防护装甲的理想材料，并得到了广泛的关注。然而，现有制备工艺得到碳化硼晶粒粗大、缺陷多、致密度低，因而其强度和韧性并不理想，如何改善碳化硼的致密度以提高其硬度，并同时使材料具备足够的抗冲击性是防弹领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明通过制备同时具有致密层和多孔层的碳化硼复合材料，使材料同时具有高硬度和吸波性能，提高材料应用于防弹材料时的抗冲击能力。
一种碳化硼复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备多孔碳化硼块体
将碳化硼粉加入到含有分散剂的水溶液中，搅拌均匀，加入成孔剂，球磨3-5h，成型，真空条件下烧结，得到多孔碳化硼块体；
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸渍10-20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料。
步骤(1)中，所述分散剂为EDTA或硬脂酸钠，用量为述B4C粉质量的0.4～0.7％。
步骤(1)中，所述成孔剂为PEG-400，用量为述B4C粉质量的5～10％。
步骤(1)中，B4C粉按固含量为30％～50％的比例加入；B4C粉的粒径为3～5μm。
步骤(1)中，所述烧结的温度为2000～2300℃，时间为3-5h。
步骤(2)中，在1680-1750℃熔融钛合金，形成钛合金液。
步骤(2)中，将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中时，浸入部分的高度占块体材料总高度的20-50％。
有益效果：
本发明通过部分浸渍的方法，使得钛合金液浸入到碳化硼多孔材料中，填补了碳化硼多孔材料的部分空隙，使得碳化硼多孔材料的下层形成致密的结构，从而得到一种上部为多孔结构，下部为致密结构的碳化硼复合材料，其致密部分具有高硬度，从而使复合材料保持良好的硬度，其多孔部分可起到吸收剩余能量的作用，有助于材料在整体上表现出更优的硬度。由于多孔结构和致密结构为整体结构，不存在由于不同材料之间的结合而导致的能量传递效率低、结构不稳定等问题，在防弹过程中具有更好的抗冲击性。
通过控制多孔结构的孔径、含孔率，控制在浸渍过程中钛合金的填充度，避免孔径大、通孔多造成的填充程度难以控制，以及孔径小、含孔率不足造成的致密化不足。
该复合材料的洛氏硬度83-86HRA，断裂韧性为10-15MP·m1/2。
具体实施方式
采用陶瓷材料单刃缺口弯曲法测试材料的断裂韧性。
实施例1
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为3μm的碳化硼粉加入到含有EDTA的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2300℃烧结3h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为50％的比例加入，EDTA用量为述B4C粉质量的0.4％，PEG-400用量为B4C粉质量的10％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1680℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的50％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-1。致密层、多孔层高度比大致为1∶1。该复合材料的洛氏硬度86HRA，断裂韧性为12MP·m1/2。
实施例2
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为5μm的碳化硼粉加入到含有硬脂酸钠的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2000℃烧结5h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为30％的比例加入，硬脂酸钠用量为述B4C粉质量的0.7％，PEG-400用量为B4C粉质量的5％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1750℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的20％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-2。致密层、多孔层高度比大致为1∶4。该复合材料的洛氏硬度84HRA，断裂韧性为15MP·m1/2。
实施例3
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为5μm的碳化硼粉加入到含有硬脂酸钠的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2000℃烧结5h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为30％的比例加入，硬脂酸钠用量为述B4C粉质量的0.7％，PEG-400用量为B4C粉质量的5％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1750℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的30％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-3。致密层、多孔层高度比大致为3∶7。该复合材料的洛氏硬度83HRA，断裂韧性为13MP·m1/2。
实施例4
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为3μm的碳化硼粉加入到含有EDTA的水溶液中，搅拌均匀，加入琼脂糖，球磨3-5h，成型，真空条件下2300℃烧结3h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为50％的比例加入，EDTA用量为述B4C粉质量的0.4％，琼脂糖用量为B4C粉质量的10％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1680℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的50％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-4。该多孔材料孔径大，孔隙率高，在浸渍过程中难以控制浸渍程度，导致碳化硼复合材料-4中致密层厚度难以控制，且在块体材料中部较大高度范围内既有致密层又有多孔层，同一横截面上材料结构不一致，无法得到具有一定致密层、多孔层高度比的材料。该复合材料的洛氏硬度72HRA，断裂韧性为7MP·m1/2。
实施例5
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为3μm的碳化硼粉加入到含有EDTA的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2300℃烧结3h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为50％的比例加入，EDTA用量为述B4C粉质量的0.4％，PEG-400用量为B4C粉质量的10％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1680℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的60％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-5。致密层、多孔层高度比大致为6∶4。碳化硼复合材料-5中多孔层比例小，吸能效果显著下降。该复合材料的洛氏硬度78HRA，断裂韧性为8MP·m1/2。
实施例6
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为3μm的碳化硼粉加入到含有EDTA的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2300℃烧结3h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为50％的比例加入，EDTA用量为述B4C粉质量的0.4％，PEG-400用量为B4C粉质量的10％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1680℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的10％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料-6。致密层、多孔层高度比大致为1∶9。碳化硼复合材料-6中致密层比例小，硬度显著下降。该复合材料的洛氏硬度65HRA，断裂韧性为7MP·m1/2。
实施例7
(1)制备多孔碳化硼块体
将粒径为3μm的碳化硼粉加入到含有EDTA的水溶液中，搅拌均匀，加入PEG-400，球磨3-5h，成型，真空条件下2300℃烧结3h，得到多孔碳化硼块体；步骤(1)中，B4C粉按固含量为50％的比例加入，EDTA用量为述B4C粉质量的0.4％，PEG-400用量为B4C粉质量的10％。
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金在1680℃熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸入部分的高度占块体材料总高度的100％。浸渍20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到致密结构碳化硼复合材料。
(3)黏结泡沫铝
利用环氧树脂黏结所得致密结构碳化硼复合材料和泡沫铝，制备出碳化硼与泡沫铝双层复合材料。该复合材料的洛氏硬度80HRA，断裂韧性为6MP·m1/2。

Claims (9)

1.一种碳化硼复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备多孔碳化硼块体
将碳化硼粉加入到含有分散剂的水溶液中，搅拌均匀，加入成孔剂，球磨3-5h，成型，真空条件下烧结，得到多孔碳化硼块体；
(2)浸渍
在氩气保护下，将钛合金熔融，形成钛合金液，在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中，浸渍10-20分钟，取出，真空下冷却到室温，得到碳化硼复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述分散剂为EDTA或硬脂酸钠，用量为述B4C粉质量的0.4～0.7％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述成孔剂为PEG-400，用量为所述B4C粉质量的5～10％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，B4C粉按固含量为30％～50％的比例加入；B4C粉的粒径为3～5μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述烧结的温度为2000～2300℃，时间为3-5h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，在1680-1750℃熔融钛合金，形成钛合金液。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，将多孔碳化硼块体部分浸入钛合金液中时，浸入部分的高度占块体材料总高度的20-50％。
8.根据权利要求1-7所述的方法制备得到的碳化硼复合材料。
9.将权利要求1-7所述的方法制备得到的碳化硼复合材料用于防弹衣材料的用途。
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