C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法，属 于陶瓷制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 人体防弹衣是士兵、警察、保安等特殊工作人员常用的人体防护装备，属于军民两 用产品。人体防弹衣一般由内层的陶瓷防弹板和包裹陶瓷防弹板增加穿着舒适性的纤维材 料组合而成。陶瓷防弹板是人体防弹衣的重要组成部分，陶瓷防弹板的防弹性能直接决定 了人体防弹衣的性能。随着防弹材料地不断发展，人们对防弹材料的防弹性能、重量、穿着 舒适性、价格的要求越来越高，因此，轻质、舒适、防弹性能好且价格相对低廉的防弹材料的 开发是防弹材料发展的必然趋势。
[0003] 目前，陶瓷防弹板材质一般为氧化铝、碳化硅或碳化硼。氧化铝材质防弹板防弹性 能相对最差，产品重量较重。碳化硅材质防弹板防弹性能较氧化铝防弹板好，产品重量相对 氧化铝材质产品轻。碳化硼材质防弹板防弹性能与碳化硅防弹板相近，并且其重量更轻质， 但是碳化硼价格十分昂贵。即使是美国陆军，也需要根据实际需要，对防弹衣和碳化硼陶瓷 硬质防弹衣合理搭配。
[0004] 陶瓷防弹板的制备方法主流为拼接法，即先生产出规则形状的陶瓷块，如：正方 块、六角方块等，然后再拼接成与人体胸腹轮廓相近的拼接式防弹板，为了能够拼接紧密， 需要对陶瓷小块进行磨削、切割等机加工处理，以获得形状规则的陶瓷小块。这种工艺存在 的主要问题是：1)工艺过程相对复杂，生产效率低，加工成本高；2)整体性差，虽然可以通过 磨削、拼接等工艺制成一个整体，但在使用过程中，由于震动等作用可能会使一些小块脱 落，从而使防弹衣报废;3)由于拼接处不是一个整体，强度一般较低，导致防弹效果较差，一 旦子弹或单片正好击中结合处，就有可能造成对人体的伤害，存在较大的安全隐患。
[0005] 目前，市场上也有整体板状防弹板，但是一般为形状简单的方板、弧板，此类防弹 板与人体胸腹腔轮廓不能很好的吻合，导致防弹质量差、佩戴舒适性差，也存在影响佩戴人 员机动性的风险。多弧面整体防弹板与人体胸腹腔轮廓相吻合，但存在加工成型困难，产品 毛坯密度分布不均、易变形，烧结易开裂等问题，鲜有产品上市。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷 防弹板，该防弹板具有质量轻、高防弹、高舒适性能，可广泛应用于人体防护、装甲防护等领 域。
[0007] 本发明还提供一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法， 该方法制备工艺简单、生产效率高、成本低。
[0008] 本发明的技术方案为：
[0009] 一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.70g/cm3~2.90g/ cm3，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉，原料组分及其质量百分比组成如下： 碳化硅微粉60%~80%、炭黑0.5%~3%、石墨0.5%~3%、碳化硼3%~20%，粘结剂11 % ~22%，各组分质量百分比之和为100%。
[0010] 本发明优选的，所述的碳化娃微粉的粒度为4~15μηι，进一步优选，9μηι。
[0011 ] 本发明优选的，碳化娃造粒粉的粒径为〇. 4~0.45mm。
[0012]本发明优选的，所述的碳化硅造粒粉原料组分及其质量百分比组成如下：碳化硅 微粉60 %~73 %、炭黑0.5 %~2 %、石墨0.5 %~2 %、碳化硼5 %~16 %，粘结剂16 %~ 20%，各组分质量百分比之和为100%。
[0013]本发明优选的，所述的粘结剂为聚乙烯醇和酚醛树脂，聚乙烯醇的分子量为1000 ~5000，酚醛树脂分子量为500-3000;进一步优选的，聚乙烯醇与酚醛树脂的质量比为：（8 ~12):(3~10) 〇
[0014]本发明使用的粘结剂加热固化后形成交联网，将碳化硅颗粒包覆在交联网中，为 坯体提供强度。
[0015] 本发明优选的，炭黑、石墨、碳化硼的粒径为30-100nm。
[0016] 本发明优选的，所述的碳化硅造粒粉是按如下方法制备得到：
[0017] 取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀，得造粒粉混合物，向造粒 粉混合物加入质量浓度11 %~19 %的聚乙烯醇、质量浓度25 %~28 %的氨水和去离子水混 合均匀，氨水的加入量为造粒粉混合物质量的〇. 1 %~〇. 5%，去离子水的加入量为造粒粉 混合物质量的45%~50%，球磨20~24h、喷雾造粒，即得。
[0018] 本发明的聚乙烯醇加入时，先用水溶解后再加入。
[0019] 上述低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，包括步骤如下：
[0020] (1)压制：将原料碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，压制成多 弧面防弹板坯体；
[0021] (2)干燥:将步骤(1)制得的多弧面防弹板坯体于40-80°C下干燥10-30小时；
[0022] (3)排胶:将干燥后的多弧面防弹板坯体在真空状态下，升温至温度600-800°C保 温10-60min进行排胶，氮气保护降至室温；
[0023] (4)修坯:将排胶后的多弧面防弹板坯体修整，得修整后多弧面防弹板坯体；
[0024] (5)烧结:将修整后多弧面防弹板坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒， 硅粒的用量为坯体质量的0.5-1.5倍，升温至温度1530-1760°C进行烧结，烧结时间：30-180min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，自然降温，得低成本轻质高防弹性能B 4C/SiC 复合陶瓷防弹板。
[0025] 本发明优选的，步骤(1)中，压制的压力为18_22MPa，压制时间5-25s。
[0026]本发明优选的，步骤(2)中，压制成型的防弹板坯体放入干燥室中干燥，干燥温度 优选60-70°(：，干燥时间为20-2811。
[0027] 本发明优选的，步骤(3)中，排胶温度为650-750°C，升温速率为5-20°C/min，保温 时间为20-40min;优选的，升温速率为10-15°C/min。
[0028] 本发明优选的，步骤(5)中，烧结温度为1580-1730°C，保温60-120min，升温速率为 2-40°C/min;优选的，升温速率10-30°C。
[0029] 本发明的多弧面防弹板及多弧面防弹板坯体的压制成型均为现有技术，多弧面防 弹板参见中国专利文献CN202869368U公开的一种整体多弧面防弹板，压制多弧面防弹板坯 体采用整体多弧面陶瓷防弹板压制成型模具压制成型，参见中国专利文献CN203636954U公 开的一种整体多弧面陶瓷防弹板压制成型模具。
[0030] 本发明优选的，所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板密度为 2.70g/cm3~2.90g/cm 3,防弹等级为NIJ 0101.04《Ballistic Resistance of Personal Body Armor》中的防弹IV级。
[0031 ]本发明通过碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨之间的特定配比，压制成坯体，真空条件下 烧结，制得SiC陶瓷材料中碳化硼均匀分布于反应烧结SiC陶瓷材料基体中。本发明的方法 确保了反应烧结过程中渗硅必需的毛细孔道的形成，使硅原子顺利经毛细孔道由坯体表层 进入内部发生反应烧结实现致密化，使坯体表层、内部均有硅的渗入，因而所得材料性能更 加均匀、一致，提高了材料的服役可靠性。同时，本发明的方法确保了反应烧结过程中金属 硅与碳在高温（1400°C以上）、真空条件下反应生成β_碳化硅相，生成的β_碳化硅与多弧面 防弹板坯体中原有的碳化硅、碳化硼相结合，而游离的金属硅填充了气孔，形成高致密的 B4C/SiC陶瓷材料。
[0032]本发明人意外发现，本发明由碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨及粘结剂组成的碳化硅 造粒粉，结合本发明的反应烧结方法，使制得的复合陶瓷防弹板能同时满足高防弹、质量 轻、高舒适的性能，反应烧结过程中金属硅与碳在高温（1400°C以上）、真空条件下反应生成 碳化硅相，生成的碳化硅与多弧面防弹板坯体中原有的α-碳化硅、碳化硼相结合，而游 离的金属硅填充了气孔，形成高致密的B 4C/SiC陶瓷材料，炭粉、石墨的加入增强了防弹性 能，同时降低了成本，使用的粘结剂加热固化后形成交联网，将碳化硅颗粒包覆在交联网 中，为坯体提供强度本发明的碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨及粘结剂各物质的组成比例是本 领域的技术人员经过长期的实验摸索得到的，尤其是碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨的比例，能 减轻防弹板的质量，同时又保证了防弹板的抗弹性能，使成本降低，其防护能力达到NIJ 0101.04防弹等级标准规定的IV级防护要求。
[0033]本发明的有益效果
[0034] 1、本发明采用碳化硅造粒粉作为制备原料，配以液压成型机进行压制、干燥、排 胶、修坯、烧结，制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板生产效率高、成本 低，价格低廉，可以连续化生产。
[0035] 2、本发明采用碳化硅造粒粉作为制备原料，选用液压成型机压制代替拼接法成 型，效率明显提高，适合连续生产，制得的防弹板大小、密度、硬度、防弹性能均匀统一。 [0036] 3、本发明制备出的复合防弹板密度在2.90g/cm3以下，轻质且高致密度，防弹性能 好。
【具体实施方式】
[0037]下面结合实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0038]实施例中采用的原料碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼、聚乙烯醇均为市 售原料。
[0039]实施例中的液压成型机，购自佛山市南海区迈驰机械制造有限公司，型号YS600- 1200ο
[0040]排胶炉、烧结炉，购自沈阳沈真真空技术有限责任公司，型号为VQS系列高温真空 烧结炉。
[0041 ] 实施例1
[0042] -种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，采用碳化硅造 粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉包括如下质量百分比的组分:碳化硅微粉70 %、酚醛树脂 6%、炭黑2%、石墨2%、碳化硼10%，聚乙烯醇10%;
[0043] 碳化娃造粒粉原料的制备步骤如下：
[0044] 取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀后加入质量浓度12%的聚 乙烯醇、质量浓度为25 %的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树 月旨、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的0.1%，去离子水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、 炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的45%，经球磨20h、喷雾造粒，制得本发明的碳化娃造粒 粉。
[0045] 低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备步骤如下：
[0046] (1)压制：将碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，采用液压成型 机压制成防弹板还体，压力为18MPa，保压时间为2 5 s;
[0047] (2)干燥:将制备的防弹板坯体于80°C下干燥10小时；
[0048] (3)排胶:将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至700°C保温30min，所述的 升温速率为l〇°C/min，氮气保护降至室温。
[0049] (4)修坯:将排胶后的防弹板坯体修至要求尺寸。
[0050] (5)烧结：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至1700 °C，保温60min，烧结 过程中通入氩气作为保护气体，所述的升温速率为20°C/min，自然降温后得本发明的低成 本轻质高防弹性能B 4C/SiC复合