專利名稱：一種碳化硅防彈陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防彈陶瓷，特別涉及一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅防彈陶瓷。
背景技術(shù)：
為了應(yīng)對高科技戰(zhàn)爭中武器性能的提高以及日常生活中的人員防護問題，新型防 護材料的開發(fā)日益受到各國的重視。從上世紀(jì)90年代開始，由于先進陶瓷材料具有低密 度、高硬度、高強度以及高模量等特點，同時在高溫下仍然具有較好的強度、硬度；因此可以 有效地抵抗破甲彈、穿甲彈以及其他的一些沖擊傷害，各國紛紛對陶瓷類裝甲進行研發(fā)。目前應(yīng)用最廣的裝甲陶瓷材料主要為氧化鋁陶瓷，碳化硼和氮化硅陶瓷，以及由 這幾種陶瓷為基體的復(fù)合材料的制備及相關(guān)性能也正在進行深入的研究。1)氧化鋁陶瓷裝甲材料，氧化鋁材料本身價格低廉，而且開發(fā)了一系列相關(guān)材料。 據(jù)報道氧化鋁基復(fù)合陶瓷的防護系數(shù)可以達到3. 06 ((葛文艷等，Al2O3基陶瓷抗彈性能研 究，兵器材料科學(xué)與工程，2004，Vol. 27，No. 4，p30)釩剛玉的防護系數(shù)為2. 23，鉻剛玉的防 護系數(shù)為2. 08，而一般的氧化鋁陶瓷其防護系數(shù)僅為1.96左右(見黃良釗等，剛玉系抗彈 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性能研究，功能材料，2003，No. 3，p288)。2)碳化硼陶瓷裝甲材料，目前廣泛應(yīng)用的仍然是熱壓碳化硼技術(shù)，只能生產(chǎn)形 狀單一的片狀樣品。據(jù)報道，熱壓方法制備的碳化硼材料其面密度可以達到23. 5kg/ m2 (AGHAJANIAN Μ. K. et al. A new familyof reaction bonded ceramics for armor applications, Ceramictransactions, 2002，vol. 134，p527)，經(jīng)換算，其防護系數(shù)可以達到 13以上。雖然碳化硼本身非常適宜用作裝甲防彈材料，但其高昂的原料價格及燒結(jié)成本，使 得碳化硼的推廣困難重重。3)氮化硅基陶瓷裝甲材料，氮化硅的制備方法以液相燒結(jié)和熱壓燒結(jié)為主，如在 李翠偉等《Si3N4/BN層狀復(fù)合陶瓷抗穿甲破壞實驗研究》(無機材料學(xué)報，2005，Vol.20, No. 1，p99) 一文中報道，氮化硅塊體的防護系數(shù)雖然可以達到12. 8，但其所用燒結(jié)工藝也 為熱壓工藝。而碳化硅是一種共價鍵很強的陶瓷材料，具有良好的機械性能和硬度，并且反應(yīng) 燒結(jié)工藝的使用，使得產(chǎn)品可以實現(xiàn)凈尺寸燒結(jié)。相對于氧化鋁陶瓷而言，其防護系數(shù)最高 可以達到11左右，約為普通氧化鋁陶瓷防護系數(shù)的5倍。相對碳化硼陶瓷而言，雖然防護 系數(shù)略低(本發(fā)明的SiC防護系數(shù)為11左右，熱壓碳化硼防護系數(shù)為13左右)，但其成本 僅為碳化硼陶瓷的十分之一。即碳化硅陶瓷既具有氧化鋁陶瓷的工業(yè)化前景，又具有可以 媲美碳化硼陶瓷的抗彈性能。目前的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷防護系數(shù)的分散度較大，防護系數(shù)值一般在6左右， 對于一些特定的場合無法達到防護要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅防彈陶瓷，具有密度低、硬度高、具有優(yōu)良抗彈性能，并可制備復(fù)雜形狀制品。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40 % 50 %、 納米碳黑占8% 12%、酚醛樹脂占3% 10%、硅占38% 45%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑10 < d50 < 30 μ m。上述硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。按照本發(fā)明所述的原料百分比及粒度，以碳化硅為基體，酚醛樹脂作為粘接劑、納 米碳黑作為主要碳源，通過反應(yīng)燒結(jié)的方法生成二次碳化硅，將原料中的碳化硅顆粒連接 起來。采用了納米碳黑以提高反應(yīng)活性，可以進一步降低燒結(jié)溫度。反應(yīng)燒結(jié)過程中由納 米碳黑生成的二次碳化硅連接一次碳化硅，同時由于形成的二次碳化硅晶粒細小附著在一 次碳化硅表面，改善了高速沖擊情況下材料的表現(xiàn)。本發(fā)明具有密度低、硬度高、強度高、彈性模量高的優(yōu)點，是近乎完全致密的燒結(jié) 體復(fù)合陶瓷材料，密度高于3. Og/cm3,維氏硬度大于1 IGPa,抗彎強度大于300MPa，彈性模量 大于380GPa，防護系數(shù)不低于9. 3。


圖1為實施例5的燒成品實物圖。圖2是實施例5進行抗彈實驗后的背板照片。圖3是實施例3進行抗彈實驗后的背板照片。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例一一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例二一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占42%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占42%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m。上述硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例三
一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占44%、納米碳 黑占8%、酚醛樹脂占6%、硅占42%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例四一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占42%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占8%、硅占40%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例五一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占46%、納米碳 黑占8%、酚醛樹脂占6%、硅占40%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為10 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例六一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占48%、納米碳 黑占8%、酚醛樹脂占4%、硅占40%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為10 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例七一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占50%、納米碳 黑占8%、酚醛樹脂占4%、硅占38%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為30 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。實施例八一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為30 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。
上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。對比例一一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為5 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。對比例二一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為50 μ m。上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。上述納米碳黑為N330碳黑。上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。根據(jù)以上8個實施例及兩個對比例所述的組分及粒度，燒結(jié)得到的碳化硅防彈陶 瓷的相關(guān)性能如表1所示表1本發(fā)明碳化硅基防彈陶瓷的相關(guān)性能及防護系數(shù)
權(quán)利要求
一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40％～50％、納米碳黑占8％～12％、酚醛樹脂占3％～10％、硅占38％～45％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，上述碳化硅為粉體，SiC 含量> 98%，粉料粒徑10 < d50 < 30 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m ； 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占42%、納米碳黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占42% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m ； 上述金屬硅為粒徑約5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占44%、納米碳黑占8%、酚醛樹脂占6%、硅占42% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14 μ m ； 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占42%、納米碳黑 占10%、酚醛樹脂占8%、硅占40%。上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為14μπι。 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3%。 上述納米碳黑為N330碳黑。 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占46%、納米碳黑 占8%、酚醛樹脂占6%、硅占40% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98 %，粉料粒徑為IOym; 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占48%、納米碳黑 占8%、酚醛樹脂占4%、硅占40% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為10 μ m ； 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)為一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占50%、納米碳黑 占8%、酚醛樹脂占4%、硅占38% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98 %，粉料粒徑為30 μ m ； 上述金屬硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種碳化硅防彈陶瓷，其特征在于，其原料組分的質(zhì)量 百分?jǐn)?shù)為一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40%、納米碳 黑占10%、酚醛樹脂占6%、硅占44% ；上述碳化硅為粉體，SiC含量> 98%，粉料粒徑為30 μ m ； 上述金屬硅為粒徑約為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3% ； 上述納米碳黑為N330碳黑； 上述酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83% 88%。
全文摘要
一種碳化硅防彈陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為碳化硅粉末占40％～50％、納米碳黑占8％～12％、酚醛樹脂占3％～10％、硅占38％～45％，碳化硅為粉體，SiC含量＞98％，粉料粒徑10＜d50＜30μm，硅為粒徑為5mm的工業(yè)級硅粒，雜質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于3％，納米碳黑為N330碳黑，酚醛樹脂為2130樹脂，固含量在83％～88％。按照本發(fā)明所述的原料百分比及粒度所制得的防彈陶瓷具有密度低、硬度高、強度高、彈性模量高的優(yōu)點，是近乎完全致密的燒結(jié)體復(fù)合陶瓷材料，密度高于3.0g/cm3，維氏硬度大于11GPa，抗彎強度大于300MPa，彈性模量大于380GPa，防護系數(shù)不低于9.3。
文檔編號C04B35/565GK101948312SQ20101028721
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者嚴(yán)自力, 喬冠軍, 劉榮臻, 楊建鋒, 谷文煒, 馬天, 鮑崇高 申請人:西安交通大學(xué)