专利名称：一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种防弹陶瓷的制备方法，特别涉及一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法。
背景技术：
装甲防护材料是各国军事领域研究的重点。近二十年来，陶瓷装甲材料以其所具 有的低密度、高硬度、高强度以及高模量等优点，并且在高温下仍然具有较好的强度、硬度； 因此可以有效地抵抗破甲弹、穿甲弹以及其他的一些冲击伤害，在防护材料领域得到了广 泛应用。其中反应烧结碳化硅材料以其良好的净尺寸性能，相对简单的烧结工艺，成型复杂 形状制品的能力，以及可以与热压碳化硅陶瓷相媲美的抗弹性能，越来越受到人们的重视。碳化硅是一种共价键很强的陶瓷材料，具有良好的机械性能和硬度，其防护系数 最高可以达到11左右，约为普通氧化铝陶瓷防护系数的5倍。虽然还不能达到碳化硼陶瓷 接近14的防护系数，但相对碳化硼防弹陶瓷而言，其成本仅为碳化硼陶瓷的十分之一。即 碳化硅陶瓷既具有氧化铝陶瓷的工业化前景，又具有可以媲美碳化硼陶瓷的抗弹性能。目前对陶瓷防弹材料的研究指出(Ceramic Armor materials bydesign, P611-621)，陶瓷材料的微观组织偏差会导致防弹系数出现较大的分散度，因此通过调整工 艺降低微观组织的偏差从而改善陶瓷材料的防护系数的分散程度，同时优化陶瓷材料的防 弹性能，对碳化硅防弹陶瓷的应用有着重要的意义。根据报道(曹连忠等，高防护系数SiC陶瓷制备技术研究，兵器材料科学与工 程，2008，Vol.31, No. 5)，国内现有碳化硅防弹陶瓷的防护系数可以达到5. 6，反应烧 结SiC的防护系数为2. 6，低于国外报道的5. 6 (详见M. K. Aghajanian, B. N. Morgan, J. R.Singh,A newfamily of reaction bonded ceramics for armor application,ceramic transactions, 2002, vol. 134)。因此有必要对反应烧结碳化硅防弹陶瓷的制备方法进行改 进，以满足我国对高性能装甲陶瓷的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种碳化硅防弹陶瓷的制 备方法，以碳化硅为基体，酚醛树脂作为粘接剂和纳米碳黑作为主要碳源，通过反应烧结的 方法生成二次碳化硅，将原料中的碳化硅颗粒连接起来；采用了纳米碳黑以提高反应活性， 可以进一步降低烧结温度；反应烧结过程中由纳米碳黑生成的二次碳化硅连接一次碳化 硅，同时由于形成的细小二次碳化硅晶粒附着在一次碳化硅表面，改善了高速冲击情况下 材料的表现；通过改进粉料的混合工艺以及选择合适的造粒过程，提高坯体的密度，改善材 料的组织均勻性，使得材料能够获得均一稳定的组织，减小残留硅的数量和尺寸，从而提高 了材料防护系数的稳定性。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法，包括以下步骤
步骤一按重量将40 50份的碳化硅粉末、8 12份的纳米碳黑、3 10份酚醛 树脂放入球磨机中湿混，所述碳化硅粉末粒径为10 μ m 30 μ m，碳化硅纯度大于98 %，所 述纳米碳黑为N330碳黑，所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ； 步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 400 600ml的无水乙醇，并在40 80°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混 合粉料总质量的3 10%，之后将混合粉末造粒，并过20 400目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为70 150MPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 100°C干燥 4h，100°C 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 6 0. 8倍 加入金属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3 % ；连同坩 埚一起放入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1450 1600°C后在真空下保温，保温0. 5 3小时；随炉冷却。本发明所获得制品的碳化硅相的体积百分含量一般在80 90%，若小于80%，烧 结体中碳化硅含量过少，烧结材料的硬度较低，烧结体抗冲击性能下降。对于金属硅加入 量，一般占整个原料总质量的30% 50%，优选值在42% 45% ；若低于30%，可能出现 在渗硅过程中生坯气孔填充不完全，造成制品性能降低；若超过50%，硅粉过多，会在制品 表面出现冷凝硅，不利于制品的表面性能及处理，并造成原料的浪费。本发明通过反应烧结的方法制备碳化硅防弹陶瓷，利用硅碳反应降低烧结温度， 得到近乎完全致密的烧结体；所制备的碳化硅基装甲复合陶瓷材料具有密度低、硬度高、 强度高、弹性模量高的特点，烧结体的主要成分为一次碳化硅、二次碳化硅及残硅。本发明 制备的反应烧结碳化硅材料具有较好的组织均勻性，没有大块的二次碳化硅和残留硅的团 聚。本发明制备的复合陶瓷材料，密度高于3. 05g/cm3，维氏硬度大于2000HV，抗弯强度大 于200MPa，弹性模量大于380GPa，防护系数不低于9. 3。
图1是实施例3的烧成品实物图。图2是实施例3进行抗弹实验后的背板照片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。实施例一本实施例包括以下步骤步骤一按重量将40份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、12份的酚醛树脂放入球 磨机中湿混，上述碳化硅粉末粒径为d5(1为10 μ m，碳化硅纯度99%，所述纳米碳黑为N330 碳黑，所述酚醛树脂为2130树脂，固含量为83% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 400ml的无水乙醇，并在40°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的3%，之后将混合粉末造粒，并过20目筛，使粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为150MPa;步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 100°C干燥 4h，100°C 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 6倍加入金 属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放 入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速 度加热至1500°C后在真空下 保温，保温3小时；随炉冷却。实施例二本实施例包括以下步骤步骤一按重量将50份的碳化硅粉末、8份的纳米碳黑、3份酚醛树脂放入球磨机 中湿混，上述碳化硅粉末粒径为30 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑， 所述酚醛树脂为2130树脂，固含量为88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 600ml的无水乙醇，并在80°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质 量的10%，之后将混合粉末造粒，并过400目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为70MPa;步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 100°C干燥 4h，100°C 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 8倍加入金 属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放 入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1600°C后在真空下 保温，保温0. 5小时；随炉冷却。实施例三本实施例包括以下步骤步骤一按重量将42份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机 中湿混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑， 所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 500ml的无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质 量的5%，之后将混合粉末造粒，并过180目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为SOMPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 7倍加入金 属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°c /min的升温速度加热至1450°C后在真空下 保温，保温1. 5小时；随炉冷却。实施例四本实施例包括以下步骤 步骤一按重量将44份的碳化硅粉末、8份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机 中湿混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑， 所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 500ml的无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质 量的5%，之后将混合粉末造粒，并过180目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为IOOMPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 100°C干燥 4h，100°C 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 7倍加入金 属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放 入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1500°C后在真空下 保温，保温1. 5小时；随炉冷却。实施例五本实施例包括以下步骤步骤一按重量将40份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机 中湿混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑， 所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入 500ml的无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质 量的5%，之后将混合粉末造粒，并过120目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成 型，试样成型压力为120MPa;步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C干燥 4h，80°C 100°C干燥 4h，100°C 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0. 7倍加入金 属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放 入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1500°C后在真空下 保温，保温1. 5小时；随炉冷却。结合以上五个实施例，得出本发明碳化硅基防弹陶瓷的密度及防护系数，详见表1表1本发明碳化硅基防弹陶瓷的密度及防护系数
权利要求
一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将40～50份的碳化硅粉末、8～12份的纳米碳黑、3～10份酚醛树脂放入球磨机中湿混，上述碳化硅粉末粒径为10μm～30μm，碳化硅纯度大于98％，所述纳米碳黑为N330碳黑，所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83％～88％；步骤二将步骤一中混匀的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入400～600ml的无水乙醇，并在40～80℃下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的3～10％，之后将混合粉末造粒，并过20～400目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均匀布在模具型腔内，模压成型，试样成型压力为70～150MPa；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60℃干燥2h，60℃～80℃干燥4h，80℃～100℃干燥4h，100℃～140℃干燥8h；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.6～0.8倍加入金属硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3％；连同坩埚一起放入高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10℃/min的升温速度加热至1450～1600℃后在真空下保温，保温0.5～3小时；随炉冷却。
2.一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将50份的碳化硅粉末、8份的纳米碳黑、3份酚醛树脂放入球磨机中湿 混，上述碳化硅粉末粒径为30 μ m,碳化硅纯度大于98 %，所述纳米碳黑为N330碳黑，所述 酚醛树脂为2130树脂，固含量为88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入600ml 的无水乙醇，并在80°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的 10%，之后将混合粉末造粒，并过400目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成型，试 样成型压力为70MPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C 干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.8倍加入金属 硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入 高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1600°C后在真空下保 温，保温0.5小时；随炉冷却。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将40份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、12份的酚醛树脂放入球磨机 中湿混，上述碳化硅粉末粒径为d5(1为10 μ m，碳化硅纯度99%，所述纳米碳黑为N330碳黑， 所述酚醛树脂为2130树脂，固含量为83% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入400ml的 无水乙醇，并在40°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的3%， 之后将混合粉末造粒，并过20目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成型，试 样成型压力为150MPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C 干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h;步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.6倍加入金属 硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入 高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1500°C后在真空下保 温，保温3小时；随炉冷却。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将42份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机中湿 混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑，所述 酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入500ml的 无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的5%， 之后将混合粉末造粒，并过180目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成型，试 样成型压力为80MPa;步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C 干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.7倍加入金属 硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入 高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1450°C后在真空下保 温，保温1.5小时；随炉冷却。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将44份的碳化硅粉末、8份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机中湿 混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98%，所述纳米碳黑为N330碳黑，所述 酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ；步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入500ml的 无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的5%， 之后将混合粉末造粒，并过180目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成型，试 样成型压力为IOOMPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C 干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.7倍加入金属 硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入 高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1500°C后在真空下保 温，保温1.5小时；随炉冷却。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一按重量将40份的碳化硅粉末、10份的纳米碳黑、6份酚醛树脂放入球磨机中湿 混，上述碳化硅粉末粒径为14 μ m,碳化硅纯度大于98 %，所述纳米碳黑为N330碳黑，所述酚醛树脂为2130树脂，固含量在83% 88% ； 步骤二 将步骤一中混勻的粉末室温下烘干后，根据粉料质量每千克再加入500ml的 无水乙醇，并在60°C下搅拌烘干，直至粉料中的无水乙醇挥发至占混合粉料总质量的5%， 之后将混合粉末造粒，并过120目筛，使其粒度均一；步骤三、根据所需制品形状选择模具，将上述粉料均勻布在模具型腔内，模压成型，试 样成型压力为120MPa ；步骤四、将压制好的生坯，放入烘箱干燥固化，工艺为室温至60°C干燥2h，60°C 80°C 干燥 4h，80°C 1001干燥411，1001 140°C干燥 8h ；步骤五、将固化后的试样，放置在石墨坩埚内，坩埚内按生坯质量的0.7倍加入金属 硅，所述金属硅为粒径为5mm的工业级硅粒，杂质质量百分数小于3% ；连同坩埚一起放入 高温真空烧结炉内烧结，氮气气氛下以10°C /min的升温速度加热至1500°C后在真空下保 温，保温1.5小时；随炉冷却。
全文摘要
一种碳化硅防弹陶瓷的制备方法，步骤一按碳化硅粉末、纳米碳黑、酚醛树脂放入球磨机中湿混；步骤二将混匀的粉末室温下烘干后，再加入400～600ml/千克的无水乙醇，并搅拌烘干、造粒、过筛；步骤三将粉料均匀布在模具型腔内，压力为70～150MPa；步骤四将压制好的生坯干燥固化；步骤五将固化后的试样加入金属硅烧结，氮气气氛下加热、真空下保温，随炉冷却；本发明制备的碳化硅防弹陶瓷，密度高于3.05g/cm3，维氏硬度大于2000HV，抗弯强度大于200MPa，弹性模量大于380GPa，防护系数不低于9.3。
文档编号C04B35/622GK101967059SQ20101028723
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者严自力, 乔冠军, 刘荣臻, 杨建锋, 谷文炜, 马天, 鲍崇高 申请人:西安交通大学