專利名稱：碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低密度碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷及其制備方法，屬于防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了保障在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中航空飛行器駕乘人員的安全，在航空飛行器的設(shè)計中需要高性能、低密度的陶瓷材料進(jìn)行防護(hù)，另外為了保障在反恐、防暴等高?；顒又凶鲬?zhàn)人員的人身安全，輕質(zhì)防彈陶瓷也成為制備高性能防彈衣的首選材料。
用于航空飛行器防護(hù)和防彈衣的最佳陶瓷材料是碳化硼(B4C)陶瓷。目前美國等先進(jìn)國家已將碳化硼陶瓷防彈板用于直升機(jī)等飛行器的裝備中。碳化硼陶瓷用作裝甲防護(hù)材料需要在高溫和高壓下燒結(jié)。為了降低碳化硼的燒結(jié)溫度，提高致密度，許多研究在碳化硼中添加了鋁等金屬鋁、碳化鈦、碳化鎢、二硼化鈦、氧化鋁或稀土氧化物等，但是，這些技術(shù)都不同程度地降低了碳化硼陶瓷的硬度或提高了密度。鄧建新等在2000～2150℃的高溫下熱壓燒結(jié)制備了碳化硅晶須增強(qiáng)碳化硼的噴砂管，參見鄧建新等，“B4C/SiCw陶瓷噴砂嘴的制備及其沖蝕磨損機(jī)理研究”，硅酸鹽通報，2004，3，18～20。中國專利申請CN1552667公開了“碳化硼陶瓷防彈板材料及其陶瓷防彈板的制造方法”，該碳化硼陶瓷防彈板材料由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加劑和任選一種的CeO2或La2O3組成，通過1750～2050℃氬氣中保溫240～480分鐘燒結(jié)制備防彈板材料。中國專利申請CN1541981公開了“輕質(zhì)碳化硼裝甲陶瓷的制備方法”，該制備方法用溢流分選分級的碳化硼粉，通過造粒機(jī)造粒，采用單相無助劑熱壓燒結(jié)技術(shù)，在高溫高壓真空燒結(jié)爐中雙向加壓進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備了碳化硼裝甲陶瓷。
目前在碳化硼防彈陶瓷制備中仍然存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時間長，不利于批量化生產(chǎn)和產(chǎn)品密度大的問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低密度高硬度的碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷及其制備方法。
本發(fā)明以碳化硼為基體，通過添加硼化物和硅粉在燒結(jié)過程中形成六硼化硅(SiB6)以降低碳化硼陶瓷的燒結(jié)溫度而不增加其密度；另一方面通過添加碳化硅晶須(SiCw)提高碳化硼陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和彈性模量，制備一種低密度高硬度的碳化硼/六硼化硅/碳化硅晶須(B4C/SiB6/SiCw)復(fù)合防彈陶瓷。
本發(fā)明碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷的組分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶須1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均為重量份。
上述碳化硼是碳化硼粉體，B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。
上述碳化硅(SiC)晶須直徑0.1～1μm，長30～100μm，SiC含量＞95％。
所述的硅粉為d50＜3μm的工業(yè)純硅粉。
所述的硼化物選自硼酸、硼矸或金屬硼的一種。
本發(fā)明的復(fù)合防彈陶瓷制備方法，步驟如下1、按重量份，將碳化硼粉體85～95份、碳化硅晶須1～15份、硅粉2～15份和硼化物1～5份以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干。制備混合粉末。
2、將上述混合粉末加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片和石墨紙隔開，混合粉末的裝填量根據(jù)所需防彈陶瓷的厚度而定。
3、將上述裝有粉料的模具放到熱壓爐內(nèi)在以氫氣、氮?dú)饣驓鍤鉃楸Ｗo(hù)性氣體的氣氛中或真空中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700～2000℃，熱壓壓力為30～40MPa，在最高溫度下保溫保壓20～30分鐘；自然冷卻。
本發(fā)明通過添加硼化物和硅形成六硼化硅促進(jìn)碳化硼的燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，增加燒結(jié)體的致密度；通過添加碳化硅晶須提高碳化硼的強(qiáng)度和韌性；所制備的碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷具有低密度、高硬度、高強(qiáng)度、高斷裂韌性和高彈性模量的特點(diǎn)，其結(jié)晶相為碳化硼、六硼化硅和碳化硅。
本發(fā)明的碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷的低密度、高硬度、高強(qiáng)度、高斷裂韌性和高彈性模量特性是通過添加硼化物、硅和碳化硅晶須而實現(xiàn)的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的復(fù)合防彈陶瓷具有低密度、高硬度、高強(qiáng)度和高彈性模量的特點(diǎn)，密度≤2.6g/cm3，維氏硬度Hv＞27GPa，壓縮強(qiáng)度＞1.8GPa，彎曲強(qiáng)度＞400MPa，彈性模量＞300GPa，斷裂韌性＞4.0MPa.m1/2。本發(fā)明的碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷是用于航空飛行器防護(hù)和防彈衣的理想陶瓷材料。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限于此。
實施例1復(fù)合防彈陶瓷的組分如下碳化硼粉體88份，碳化硅晶須6份，硅粉5份，硼酸3份，均為重量份。所述碳化硼粉體的得B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。所述碳化硅(SiC)晶須直徑0.1～1μm，長30～100μm，SiC含量＞95％。所述的硅粉為d50＜3μm的工業(yè)純硅粉。
制備方法步驟如下1、按上述重量份，將碳化硼粉體、碳化硅晶須、硅粉和硼酸以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干。制備混合粉末。
2、將上述混合粉末分層加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片和石墨紙隔開。
3、將上述裝有粉料的模具放到熱壓爐中熱壓燒結(jié)，溫度為1800℃，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體；熱壓壓力為40MPa，保溫保壓30分鐘；自然冷卻。得厚度為1cm的復(fù)合防彈陶瓷。
所得產(chǎn)品性能如下密度2.5g/cm3，維氏硬度Hv 30GPa，壓縮強(qiáng)度1.8GPa，彎曲強(qiáng)度500MPa，彈性模量350GPa，斷裂韌性4.0MPa.m1/2。
實施例2如實施例1所述，所不同的是硼化物為硼矸。
實施例3復(fù)合防彈陶瓷的組分如下碳化硼粉體95份，碳化硅晶須15份，硅粉5份，金屬硼2份，均為重量份。
制備方法步驟如下1、按上述重量份，將碳化硼粉體、碳化硅晶須、硅粉和金屬硼以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干。制備混合粉末。
2、將上述混合粉末加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片和石墨紙隔開。
3、將上述裝有粉料的模具放到熱壓爐中熱壓燒結(jié)，溫度為1900℃，以氬氣為保護(hù)性氣體；熱壓壓力為30MPa，保溫保壓30分鐘；自然冷卻。得厚度為0.5cm的復(fù)合防彈陶瓷。
所得產(chǎn)品性能如下密度2.55g/cm3，維氏硬度Hv 33GPa，壓縮強(qiáng)度1.8GPa，彎曲強(qiáng)度560MPa，彈性模量380GPa，斷裂韌性5.0MPa.m1/2。
實施例4如實施例1所述，所不同的是制備方法中步驟3熱壓燒結(jié)溫度為1800℃，以氫氣為保護(hù)性氣體；熱壓壓力為40MPa，在最高溫度時保溫保壓20分鐘；自然冷卻。得厚度為1.2cm的復(fù)合防彈陶瓷。
權(quán)利要求
1.復(fù)合防彈陶瓷，其特征在于組分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶須1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均為重量份。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合防彈陶瓷，其特征在于所述碳化硼是碳化硼粉體，B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合防彈陶瓷，其特征在于所述碳化硅晶須直徑0.1～1μm，長徑比為30～100，SiC含量＞95％。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合防彈陶瓷，其特征在于所述的硅粉為d50＜3μm的工業(yè)純硅粉。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合防彈陶瓷，其特征在于所述的硼化物選自硼酸、硼矸或金屬硼的一種。
6.權(quán)利要求1所述的復(fù)合防彈陶瓷的制備方法，步驟如下(1)按重量份，將碳化硼粉體85～95份、碳化硅晶須1～15份、硅粉2～15份和硼化物1～5份以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末；(2)將上述混合粉末加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片和石墨紙隔開，混合粉末的裝填量根據(jù)所需防彈陶瓷的厚度而定；(3)將上述裝有粉料的模具放到熱壓爐中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700～2000℃，以氫氣、氮?dú)饣驓鍤鉃楸Ｗo(hù)性氣體；熱壓壓力為30～40MPa，保溫保壓20～30分鐘；自然冷卻。
全文摘要
碳化硼基復(fù)合防彈陶瓷及其制備方法，屬于防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域。組分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶須1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均為重量份。將碳化硼粉體、碳化硅晶須、硅粉和硼化物以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末；加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片和石墨紙隔開，熱壓燒結(jié)，溫度為1700～2000℃，壓力為30～40MPa。本發(fā)明的復(fù)合防彈陶瓷具有低密度、高硬度、高強(qiáng)度和高彈性模量的特點(diǎn)，是用于航空飛行器防護(hù)和防彈衣的理想陶瓷材料。
文檔編號C04B35/622GK1803714SQ20061004204
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者張玉軍, 譚砂礫, 張衛(wèi)珂, 張?zhí)m 申請人:山東大學(xué)