CN114349515A - 一种层状防弹陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种层状防弹陶瓷及其制备方法，层状防弹陶瓷包括依次设置的高硬度区和高韧性区，所述高硬度区包括交替层叠的第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层，所述高韧性区包括交替层叠的第三陶瓷材料层和第四陶瓷材料层，所述第一陶瓷材料层、所述第二陶瓷材料层、所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的制备原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的总膨胀系数不同，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的总膨胀系数不同。本发明同时对层状防弹陶瓷进行功能梯度结构设计和强界面层状结构设计，实现了双重强化效果，使材料防弹性能大幅提升。

Description

一种层状防弹陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种层状防弹陶瓷及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料因其硬度高、密度低的优点，在防弹领域得到了广泛的应用。弹丸命中后，由于陶瓷的硬度高，弹丸会产生变形、破坏甚至碎裂，从而大大削弱了弹丸的冲击、穿透能力。在高等级的防弹板中，陶瓷的性能直接影响防弹的效果。近年来，随着对人员防护的重视，防弹板的防弹指标要求越来越高，而陶瓷材料本身的性能难以有大的突破，因而许多研究致力于通过对陶瓷的结构设计的研究，在不改陶瓷本身性能的情况下进一步提高防弹性能。

陶瓷材料的性能受材料成分影响，层状结构陶瓷可以通过结构设计使各层陶瓷具有不同的硬度和韧性，从而提高层状结构陶瓷整体的防弹性能。此外，相邻层间材料成分不同，会使其热膨胀系数不同，这会使相邻层材料在高温烧结后收缩量不同，进而产生残余应力，残余应力也会对防弹能力产生影响。可见层状陶瓷的结构设计与残余应力控制都对材料成分有具体的要求，在实践中，现有技术难以同时实现结构设计和残余应力控制，限制了陶瓷防弹性能进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提高层状陶瓷材料的防弹性能。

本发明一方面提供一种层状防弹陶瓷，包括依次设置的高硬度区和高韧性区，所述高硬度区包括交替层叠的第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层，所述高韧性区包括交替层叠的第三陶瓷材料层和第四陶瓷材料层，所述第一陶瓷材料层、所述第二陶瓷材料层、所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的制备原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的总膨胀系数不同，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的总膨胀系数不同。

相对于现有技术，本发明对层状陶瓷的结构进行设计，将陶瓷分成高硬度区和高韧性区，由高硬度区来破坏弹头，由高韧性区提高抗冲击与抗多发弹丸命中的能力，同时设计各陶瓷材料层的总膨胀系数不同，在陶瓷内引入残余压应力，利用交替叠层的强界面层结构产生的残余应力来偏转裂纹，起到良好的增韧效果，提高材料的抗多发弹打击能力，本发明实际上同时对层状防弹陶瓷进行功能梯度结构设计和强界面层状结构设计，实现了双重强化效果，使材料防弹性能大幅提升。

进一步地，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的碳化硼含量为50-90wt％，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的碳化硼含量为0-20wt％。由此高硬度区中碳化硼含量要高于高韧性区，使高硬度区的硬度更高，高韧性区的韧性更好。

进一步地，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的原料包括碳化硅纤维。由此使高韧性区的韧性进一步提升。

进一步地，所述高硬度区的厚度占所述层状防弹陶瓷总厚度的20％-50％，且所述高硬度区的厚度大于等于1mm。由此使高硬度区和高韧性区都具有一定的厚度，保证陶瓷整体具有较好的防弹性能。

进一步地，所述第一陶瓷材料层、所述第二陶瓷材料层、所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的厚度为0.1-1mm。

本发明另一方面提供上述层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计多层陶瓷结构，包括依次设置的高硬度区和高韧性区，高硬度区包括交替层叠的第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层，高韧性区包括交替层叠的第三陶瓷材料层和第四陶瓷材料层，各陶瓷材料层的原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，相邻陶瓷材料层的碳源含量不同；

S2、依照设计的结构制备生坯，控制生坯的孔隙率；

S3、将生坯进行脱蜡处理；

S4、生坯脱蜡后进行反应烧结，得到层状防弹陶瓷。

本发明通过调节各陶瓷材料层配方中碳源比例和生坯孔隙率来控制各层的膨胀程度，进而调控残余应力，因此实现了残余应力与各层成分设计相对独立，能够制备出符合设计需求的陶瓷，取得双重强化效果，使层状陶瓷的防弹性能明显提升。

进一步地，所述步骤S1中，各陶瓷材料层的碳源含量为5wt％-50wt％。碳源含量受到反应烧结工艺限制，在此范围内可以得到完整不开裂、性能较为理想的陶瓷产品。

进一步地，所述步骤S2中，控制生坯的孔隙率为20％-50％。生坯的孔隙率受到反应烧结工艺限制，在此范围内可以得到完整不开裂、性能较为理想的陶瓷产品。

进一步地，所述步骤S4中，反应烧结后相邻陶瓷材料层间的相对总膨胀量介于1E-4至1E-2之间。限定相对总膨胀量，膨胀量过小，产生的残余应力偏低，起不到强化效果，而膨胀量过大则容易使产品变形、开裂。

进一步地，所述步骤S2中，通过流延片叠层、层压、顺序注浆或3D打印方法制备生坯。本发明可以选用各种方法制备层状陶瓷材料生坯的制备方法，都可以实现控制材料残余应力的效果。

附图说明

图1是本发明实施例中层状防弹陶瓷的结构示意图。

附图标记：

1-高硬度区，2-高韧性区，3-第一陶瓷材料层，4-第二陶瓷材料层，5-第三陶瓷材料层，6-第四陶瓷材料层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面通过实施例对本发明做进一步的说明。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

本发明的实施例公开一种层状防弹陶瓷及其制备方法，层状防弹陶瓷进行结构设计，如图1所示，其具有包括依次设置的高硬度区1和高韧性区2，高硬度区1包括交替层叠的第一陶瓷材料层3和第二陶瓷材料层4，高韧性区2包括交替层叠的第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6；层状防弹陶瓷还对残余应力进行控制，第一陶瓷材料层3和第二陶瓷材料层4的总膨胀系数不同，第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6的总膨胀系数不同。

层状防弹陶瓷通过控制材料成分实现高硬度区1和高韧性区2的结构设计。第一陶瓷材料层3、第二陶瓷材料层4、第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6的制备原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂。其中第一陶瓷材料层3和第二陶瓷材料层4的碳化硼含量为50-90wt％，第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6的碳化硼含量为0-20wt％，由此保证高硬度区1的硬度更高，高韧性区2的韧性更好，子弹射入时由高硬度区1来破坏弹头，由高韧性区2提高抗冲击与抗多发弹丸命中的能力。进一步地，第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6的原料包括碳化硅纤维，由此可以使高韧性区2的韧性进一步提升。

高硬度区1的厚度占层状防弹陶瓷总厚度的20％-50％，且高硬度区1的厚度大于等于1mm，使高硬度区1和高韧性区2都具有一定的厚度，保证陶瓷整体具有较好的防弹性能。

层状防弹陶瓷还通过设计各陶瓷材料层的总膨胀系数差异引入残余应力，限定第一陶瓷材料层3、第二陶瓷材料层4、第三陶瓷材料层5和第四陶瓷材料层6的厚度为0.1-1mm，保证陶瓷具有交替叠层的强界面层结构，起到良好的增韧效果，以提高材料防弹性能。

实施例中层状防弹陶瓷的制备方法包括以下步骤：

S1、设计多层陶瓷结构，各陶瓷材料层的原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，相邻陶瓷材料层的碳源含量不同，碳源可以是石油焦、石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、金刚石粉中的一种或几种，各陶瓷材料层的碳源含量为5wt％-50wt％。

S2、依照设计的结构制备生坯，制备方法可以选用流延片叠层、层压、顺序注浆或3D打印方法，控制生坯的孔隙率为20％-50％，相陶瓷材料层生坯的孔隙率相同或者不同。

S3、将生坯在450-850℃下，保温0.1-10小时，进行脱蜡处理，气氛为氮气、氩气或者真空。

S4、生坯脱蜡后在1450-1700℃下进行反应烧结，保温时间0.5-10h，得到层状防弹陶瓷。

控制各层间的相对总膨胀量控制在1E-4至1E-2之间，膨胀量过小，产生的残余应力偏低，起不到强化效果，而膨胀量过大则容易使产品变形、开裂。

相邻的陶瓷材料层A层和B层之间的相对总膨胀量计算方式如下：

ε＝(α_A-α_B)ΔT+(γ_A-γ_B)；

其中，α_A为A层的热膨胀系数，α_B为B层的热膨胀系数，ΔT为温度差，γ_A为A层的反应膨胀量，γ_B为B层的反应膨胀量。α_A、α_B由材料成分决定，γ_A、γ_B与材料的碳源含量和生坯孔隙率有关，具体而言，对于碳化硅或碳化硅/碳化硼复合材料来说，碳化硅可以是以碳化硅粉的形式加入，也可是碳源反应后得到，因此通过调节原始粉料中碳源和碳化硅的比例可以对膨胀进行控制，而碳源的反应会优先填充生坯中的孔隙，因此孔隙率越高，材料体积的膨胀就越小。

实施例中制备方法的关键在于通过调节陶瓷材料层配方中碳源比例和生坯孔隙率来控制层状结构中各层的膨胀程度，进而控制残余应力，残余应力可以由实验测得，也可以通过有限元软件建模、模拟得到。

可见，实施例中控制残余应力的方法与成分设计相对独立，因此可以同时对层状防弹陶瓷进行功能梯度结构设计与强界面层状结构设计，实现双重强化效果，使层状陶瓷的防弹性能大幅提升。

实施例一

本实施例制备厚度为8mm的层状防弹陶瓷，包括以下步骤：

S1、设计32层陶瓷材料的结构，由A、B、C、D四种组份陶瓷材料叠层，其中A陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉70份、碳化硅粉16份、石墨粉14份，B陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉70份、碳化硅粉20份、石墨粉10份，C陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉83份、石墨粉17份,D陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉88份、石墨粉12份。流延料浆的配制方法为：取陶瓷材料层的主料100份，聚乙烯醇缩丁醛10份，邻苯二甲酸二辛酯3份，聚乙二醇5份，Tween 80 5份，无水乙醇300份，将上述原料混合球磨48h，得到流延料浆。

S2、以流延法制备流延片，将制备好的料浆置于脱泡桶内真空脱泡2h，以速度0.1m/min速度进行流延，流延片厚度为0.25mm。高硬度区采用A流延片和B流延片交替叠层，共16层；高韧性区采用C流延片和D流延片交替叠层，共16层。将叠层后的流延片干压成型制得生坯，压力80MPa，保压30s。生坯中A、B、C、D陶瓷材料层的孔隙率均为40％。

S3、将生坯在真空气氛下，450℃保温1小时，进行脱蜡处理。

S4、脱蜡后将生坯在1600℃，真空气氛下保温1h，反应烧结得到层状陶瓷材料。

实施例二

本实施例制备厚度为8mm的层状防弹陶瓷，包括以下步骤：

S1、设计32层陶瓷材料的结构，由A、B、C、D四种组份陶瓷材料叠层，其中A陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉70份、碳化硅粉16份、石墨粉14份，B陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉70份、碳化硅粉20份、石墨粉10份，C陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉68份、碳化硅纤维5份、石墨粉17份,D陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉83份、碳化硅纤维5份、石墨粉12份。流延料浆的配制方法为：取陶瓷材料层的主料100份，聚乙烯醇缩丁醛10份，邻苯二甲酸二辛酯3份，聚乙二醇5份，Tween 80 5份，无水乙醇300份，将上述原料混合球磨48h，得到流延料浆。

S2、以流延法制备流延片，将制备好的料浆置于脱泡桶内真空脱泡2h，以速度0.1m/min速度进行流延，流延片厚度为0.25mm。高硬度区采用A流延片和B流延片交替叠层，共16层；高韧性区采用C流延片和D流延片交替叠层，共16层。将叠层后的流延片干压成型制得生坯，压力80MPa，保压30s。生坯中A、B、C、D陶瓷材料层的孔隙率均为40％。

S3、将生坯在真空气氛下，450℃保温1小时，进行脱蜡处理。

S4、脱蜡后将生坯在1600℃，真空气氛下保温1h，反应烧结得到层状陶瓷材料。

实施例三

本实施例制备厚度为4mm的层状防弹陶瓷，包括以下步骤：

S1、设计10层陶瓷材料的结构，由A、B、C、D四种组份陶瓷材料叠层，其中A陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉80份、碳化硅粉10份、碳纤维10份，B陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉70份、碳化硅粉15份、碳纤维15份，C陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉20份、碳化硅粉60份、碳化硅纤维10份、石油焦10份,D陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉10份、碳化硅粉65份、碳化硅纤维10份、石油焦15份。陶瓷粉料的配制方法为：取陶瓷材料层的主料100份，聚乙烯醇6份，聚乙二醇2份，Tween 80 2份，硬脂酸1份，去离子水300份，将上述原料混合球磨48h后进行喷雾造粒得到相应的陶瓷粉料。

S2、以层压法制得生坯，每层粉料加入后以10MPa压力预压10s，后加入下一层粉料，所有粉料都加入后，整体再以60MPa压力压制20s。高硬度区采用A陶瓷材料层和B陶瓷材料层交替层叠，共4层，A陶瓷材料层和B陶瓷材料层的厚度为0.3mm；高韧性区采用C流延片和D流延片交替叠层，共4层，C陶瓷材料层和D陶瓷材料层的厚度为0.7mm。生坯中A、B、C、D陶瓷材料层的孔隙率均为20％。

S3、将生坯在氮气、氩气或者真空气氛下，850℃保温0.5小时，进行脱蜡处理。

S4、脱蜡后将生坯在1500℃，真空气氛下保温2.5h，反应烧结得到层状陶瓷材料。

实施例四

本实施例制备厚度为4mm的层状防弹陶瓷，包括以下步骤：

S1、设计8层陶瓷材料的结构，由A、B、C、D四种组份陶瓷材料叠层，其中A陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉75份、碳化硅粉10份、石墨粉25份，B陶瓷材料层的主料包括碳化硼粉80份、碳化硅粉10份、石墨粉15份，C陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉85份、石墨粉20份,D陶瓷材料层的主料包括碳化硅粉75份、碳化硅纤维5份、石墨粉10份。A、B组分陶瓷料浆的配制方法为：取陶瓷材料层的主料100份，聚乙烯醇缩丁醛20份，聚乙二醇5份，Tween 80 5份，无水乙醇200份，将上述原料混合球磨24h，得到料浆。C、D分陶瓷料浆的配制方法为：取陶瓷材料层的主料100份，聚乙二醇5份，Tween 80 5份，无水乙醇150份，将上述原料混合球磨24h，得到料浆。

S2、以顺序注浆得生坯，高硬度区采用A陶瓷材料层和B陶瓷材料层交替层叠，共4层，A陶瓷材料层和B陶瓷材料层的厚度为0.5mm；高韧性区采用C流延片和D流延片交替叠层，共4层，C陶瓷材料层和D陶瓷材料层的厚度为0.5mm。生坯中A陶瓷材料层的孔隙率40％，B陶瓷材料层的孔隙率40％，C陶瓷材料层的孔隙率为30％，D陶瓷材料层的孔隙率为30％。

S3、将生坯在真空气氛下，450℃保温2小时，进行脱蜡处理。

S4、脱蜡后将生坯在1450℃，真空气氛下保温5h，反应烧结得到层状陶瓷材料。

实验例

测试实施例一至四制得的层状防弹陶瓷的防弹性能。对实施例一与二，采用79式狙击步枪，53式7.62mm普通弹(钢芯)，按GA 141-2010防弹6级测试；实施例三与四，采用81式步枪，56式7.62mm普通弹(钢芯)，按GA 141-2010 5级测试。其结果见下表1。

经测试，实施例一至四制得的层状防弹陶瓷均可达到GA 141-2010中对应等级对凹陷的要求。

虽然本发明的公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员应该知道，在不脱离本发明公开范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种层状防弹陶瓷，其特征在于，包括依次设置的高硬度区和高韧性区，所述高硬度区包括交替层叠的第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层，所述高韧性区包括交替层叠的第三陶瓷材料层和第四陶瓷材料层，所述第一陶瓷材料层、所述第二陶瓷材料层、所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的制备原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的总膨胀系数不同，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的总膨胀系数不同。

2.根据权利要求1所述的层状防弹陶瓷，其特征在于，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的碳化硼含量为50-90wt％，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的碳化硼含量为0-20wt％。

3.根据权利要求2所述的层状防弹陶瓷，其特征在于，所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的原料包括碳化硅纤维。

4.根据权利要求1所述的层状防弹陶瓷，其特征在于，所述高硬度区的厚度占所述层状防弹陶瓷总厚度的20％-50％，且所述高硬度区的厚度大于等于1mm。

5.根据权利要求4所述的层状防弹陶瓷，其特征在于，所述第一陶瓷材料层、所述第二陶瓷材料层、所述第三陶瓷材料层和所述第四陶瓷材料层的厚度为0.1-1mm。

6.一种如权利要求1-5任一所述层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计多层陶瓷结构，包括依次设置的高硬度区和高韧性区，高硬度区包括交替层叠的第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层，高韧性区包括交替层叠的第三陶瓷材料层和第四陶瓷材料层，各陶瓷材料层的原料包括碳化硅和/或碳化硼、碳源和助剂，相邻陶瓷材料层的碳源含量不同；

S2、依照设计的结构制备生坯，控制生坯的孔隙率；

S3、将生坯进行脱蜡处理；

S4、生坯脱蜡后进行反应烧结，得到层状防弹陶瓷。

7.根据权利要求6所述的层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，各陶瓷材料层的碳源含量为5wt％-50wt％。

8.根据权利要求6所述的层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制生坯的孔隙率为20％-50％。

9.根据权利要求6所述的层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，反应烧结后相邻陶瓷材料层间的相对总膨胀量介于1E-4至1E-2之间。

10.根据权利要求6所述的层状防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过流延片叠层、层压、顺序注浆或3D打印方法制备生坯。

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