CN114180967B - 一种中空陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中空陶瓷材料及其制备方法,所述中空陶瓷材料包括碳化硅和/或碳化硼,所述中空陶瓷材料中心位置具有球状空腔,空腔内设置硅铝合金。根据所成形的陶瓷坯体的形状,采用模压成形、注浆成形或冷等静压成形的方法制成,将适当成分的硅铝合金球放置于碳化硅或碳化硼粉末成形压坯的中心,并通过反应烧结过程得到具有中空结构的碳化硅/碳化硼陶瓷,能有效提高复合装甲的抗弹防护效能。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域,具体为一种中空陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
高强结构陶瓷材料由于具有轻质、高硬、高强等特点,能有效抵御子弹的侵彻,将陶瓷与其它材料(通常为金属或高强纤维层压板)复合成为防弹复合装甲已广泛应用于抗弹防护领域。但是,陶瓷材料脆性大,子弹贯穿陶瓷过程的作用时间过短,陶瓷与子弹的相互破碎效果不充分,子弹侵彻靶板形成的背凸较大,防弹效果不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空陶瓷材料及其制备方法,解决了背景技术中提出的问题,在应用在复合装甲上之后,显著提高了复合装甲在子弹侵彻时的吸能效果,提高了复合装甲的抗弹防护性能,降低了子弹侵彻后装甲板的背凸程度。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种中空陶瓷材料,其特征在于:所述中空陶瓷材料包括碳化硅和/或碳化硼,所述中空陶瓷材料中心位置具有球状空腔,空腔内设置硅铝合金。
作为本发明的另一方面,本发明提供一种中空陶瓷材料的制备方法,其包括以下步骤:步骤1):浇注直径为0.5-5mm的硅铝合金球;步骤2):将陶瓷材料与适量的含碳材料、分散剂、成型剂球磨混合,雾化造粒得混合粉末;步骤3):将步骤1)得到的硅铝合金球与步骤2)得到的混合粉末成形为粉末坯体,保持硅铝合金球位于粉末坯体的几何中心;步骤4):将步骤3)得到的粉末坯体与硅饼进行高温反应烧结,即可。
优选的,所述步骤1)中,所述硅铝合金球的硅铝元素质量分数为,硅为80~90wt%,铝为10~20wt%。
优选的,所述步骤2)中的陶瓷材料包括碳化硅和/或碳化硼,含碳材料为酚醛树脂,成型剂为聚乙烯醇,分散剂为聚乙二醇。
优选的,所述步骤2)中所述陶瓷材料的质量比例为82~85wt%,碳源材料的质量比例为8~12%,成型剂质量比例为1~2%,分散剂比例为4~6%。
优选的,所述步骤3)中的粉末成形方法根据所成形的陶瓷坯体的形状,采用模压成形、注浆成形或冷等静压成形的方法制成。
优选的,得到的中空陶瓷材料的几何形状具有对称结构。
优选的,所述对称结构包括球体、立方体、柱体、多面体中的一种或几种。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明的中空陶瓷材料不但减轻了复合装甲的重量,而且显著提高了复合装甲在子弹侵彻时的吸能效果,提高了复合装甲的抗弹防护性能,降低了子弹侵彻后装甲板的背凸程度。
附图说明
图1为本发明中空陶瓷材料的结构示意图,其硅铝合金球位于中空陶瓷材料的中心,碳化硅/碳化硼组合物位于外围硅铝合金球,左图为圆形截面的中空陶瓷材料,中间图为四边形截面的中空陶瓷材料,右图为圆角四边形截面的中空陶瓷材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1,所述中空陶瓷材料包括碳化硅、碳化硼或者其复合物,所述中空陶瓷材料的外形体包括球体、柱状体,而中心位置为球状空腔(直径约为0.8~1.0mm);在本实施方式中,其具体的制备方法如下:
步骤1)按照预定的化学成分配比将硅、铝在炉中熔炼得到硅铝熔体,然后在模具中浇注直径为1.0mm的硅铝合金球;硅铝合金的化学成分为:硅含量为80wt%,铝含量为20wt%;
步骤2)将陶瓷材料碳化硅粉末与适量的含碳材料、分散剂、成型剂球磨混合,通过离心雾化造粒工艺(主要参数为:进出风口温度分别为180℃和95℃,雾化器转速为12000rpm)得到D50约等于140μm的混合粉末;(混合粉末组成成分的具体比例:碳化硅质量比为84%,酚醛树脂比例为10%,分散剂比例为5%,成型剂比例为1%)
步骤3)采用钢模压制的成形方法,将步骤1)得到的硅铝合金球与步骤2)得到的混合粉末成形为外形尺寸(长×宽×厚)为50mm×50mm×5mm的粉末坯体,且使硅铝合金球位于粉末坯体的几何中心(具体操作为,首先在模具中平铺一半的混合粉末,将硅铝合金球放置于粉末中心位置,稍微用力使其半球埋没入粉末中,再将另一半混合粉末平铺在模具中,成形压力为150MPa);
步骤4)将步骤3)得到的粉末坯体与硅饼在真空和1580℃条件下,高温反应烧结,得到具有中空结构的碳化硅陶瓷。
实施例2
步骤1)与实施例1类似,硅铝合金熔炼后在模具中浇注直径为2mm的硅铝合金球;硅铝合金的化学成分为:硅含量为90wt%,铝含量为10wt%;
步骤2)将碳化硅与适量的含碳材料、分散剂、成型剂球磨混合,通过雾化造粒得到混合粉末(混合粉末组成成分的具体比例:碳化硅质量比为85%,酚醛树脂比例为9%,分散剂比例为5%,成型剂比例为1%);
步骤3)采用冷等静压的成形方法(成形压力为100MPa),将步骤1)得到的硅铝合金球与步骤2)得到的混合粉末成形为外形尺寸(长×宽×厚)为50mm×50mm×6mm的粉末坯体,且使硅铝合金球位于粉末坯体的几何中心;(具体操作为,首先在冷等静压模套中加入一半的混合粉末,将硅铝合金球放置于粉末中心位置,稍微用力使其半球埋没入粉末中,再将另一半混合粉末加入到冷等静压模套中);
步骤4)将步骤3)得到的粉末坯体与硅饼在真空和1600℃条件下高温反应烧结,得到具有中空结构的碳化硅陶瓷。
实施例3
步骤1)与实施例1类似,硅铝合金熔炼后在模具中浇注直径为5mm的硅铝合金球;硅铝合金的化学成分为:硅含量为85wt%,铝含量为15wt%;
步骤2)将碳化硅与适量的含碳材料、分散剂、成型剂球磨混合,通过雾化造粒得到混合粉末(混合粉末组成成分的具体比例:碳化硅质量比为82%,酚醛树脂比例为10%,分散剂比例为6%,成型剂比例为2%);
步骤3)采用钢模压制的成形方法,将步骤1)得到的硅铝合金球与步骤2)得到的混合粉末成形为外形尺寸为直径20mm的粉末坯体,且使硅铝合金球位于粉末坯体的几何中心;具体的操作步骤同实施例1;
步骤4)将步骤3)得到的粉末坯体与硅饼在真空和1580℃条件下高温反应烧结,得到具有中空结构的碳化硅陶瓷。
实施例4、实施例5以及实施例6(材质变成碳化硼);除了烧结温度调整为1500℃以外,其它参数分别同实施例1-3。
实施例7
其它工艺参数同实施例1,不一样的参数如下:陶瓷材料由碳化硅粉末与碳化硼粉末复配而成,其中碳化硅与碳化硼的质量比为4:1,烧结温度为1550℃。
实施效果
为了测试本发明得到的具有中空结构陶瓷的抗弹效果,根据GJB59.18-1988《装甲车辆试验规程装甲板抗枪弹性能试验》的标准测试了两组不同装甲的抗弹性能。具体测试条件如下:12.7mm穿甲燃烧弹,入射角0°,弹速488-498m/s。
实施例8
将实施例1得到的具有中空结构的碳化硅陶瓷板与碳纤维板、超高分子量聚乙烯纤维板组成的纤维背板在128℃、1.0MPa压力下复合得到尺寸为300mm×300mm、面密度为48.0kg/m2的三块复合装甲,其中碳化硅陶瓷板的面密度与高性能纤维层压板的面密度比例为60:40,在上述靶试试验中,其背凸值28~35mm,平均31mm。
对比例1
采用市售的反应烧结工艺制备的致密的碳化硅陶瓷,将其与实施例7采用的同样材质同等面密度的纤维背板,在同样的复合工艺下得到面密度为48.0kg/m2的三块复合装甲,其中碳化硅陶瓷板的面密度与高性能纤维层压板的面密度比例为60:40,在上述靶试试验中,其背凸达到40~46mm,平均为44mm。目前,相同面密度的碳化硅复合装甲在同等测试条件下,或被击穿,或者其背凸超过50mm。
实施例9
将实施例4得到的具有中空结构的碳化硼陶瓷与碳纤维板、超高分子量聚乙烯纤维板组成的纤维背板在128℃、1.0MPa压力下复合得到尺寸为300mm×300mm、面密度为42.0kg/m2的三块复合装甲,其中碳化硼陶瓷板的面密度与高性能纤维层压板的面密度比例为55:45,在上述靶试试验中,其背凸值26~32mm,平均28mm。
对比例2
采用浙江立泰复合材料股份有限公司以反应烧结工艺制备的致密的碳化硼陶瓷,将其与实施例8同样材质同等面密度的纤维背板,在同样复合工艺下得到面密度为42.0kg/m2的三块复合装甲,其中碳化硼陶瓷板的面密度与高性能纤维层压板的面密度比例为55:45,在上述靶试试验中,其背凸达到34~43mm,平均为40mm。目前,相同面密度的碳化硼复合装甲在同等测试条件下,或被击穿,或者其背凸超过45mm。
归纳所有实施例及对比例的实施效果,如表1所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于复合装甲的中空陶瓷材料,其特征在于:所述中空陶瓷材料包括碳化硅和/或碳化硼,所述中空陶瓷材料采用模压成形、注浆成形或冷等静压成形的方法中的一种或几种成形,所述中空陶瓷材料中心位置具有球状空腔,空腔内设置硅铝合金;
所述硅铝合金球的直径为0.5~5mm,其硅铝元素质量分数为,硅为80~90wt%,铝为10~20wt%。
2.一种用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1):浇注直径为0.5~5mm的硅铝合金球;
步骤2):将陶瓷材料与适量的含碳材料、分散剂、成型剂球磨混合,雾化造粒得混合粉末;
步骤3):将步骤1)得到的硅铝合金球与步骤2)得到的混合粉末成形为粉末坯体,保持硅铝合金球位于粉末坯体的几何中心;
步骤4):将步骤3)得到的粉末坯体与硅饼进行高温反应烧结,即可。
3.根据权利要求2所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中,所述硅铝合金球的硅铝元素质量分数为,硅为80~90wt%,铝为10~20wt%。
4.根据权利要求2所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的陶瓷材料包括碳化硅和/或碳化硼,含碳材料为酚醛树脂,成型剂为聚乙烯醇,分散剂为聚乙二醇。
5.根据权利要求4所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中所述陶瓷材料的质量比例为82~85wt%,含碳材料的质量比例为8~12%,成型剂质量比例为1~2%,分散剂比例为4~6%。
6.根据权利要求2所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述步骤3)中的粉末成形方法,根据所成形的陶瓷坯体的形状,采用模压成形、注浆成形或冷等静压成形的方法中的一种或几种制成。
7.根据权利要求2所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:得到的中空陶瓷材料的几何形状具有对称结构。
8.根据权利要求7所述的用于复合装甲的中空陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述对称结构包括球体、立方体、柱体、多面体中的一种或几种。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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