一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料及其制備方法，屬于材料合成【技術(shù)領(lǐng)域】。所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分：碳化硼：70-95%，TiC：0.5-15%，α-SiC：1-15%，炭黑：0-2%。其制備方法為：稱取原料，將稱取好的碳化硼、TiC、α-SiC、炭黑放入球磨機(jī)中，以去離子水為介質(zhì)進(jìn)行濕磨、篩網(wǎng)；再進(jìn)行噴霧造粒、篩選；將漿料干壓成型制成生坯；將加工后的素坯在氬氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)磨加工、拋光處理后制得液相燒結(jié)碳化硼防彈材料。本發(fā)明防彈材料的體積密度達(dá)2.50-2.59g/cm3，材料的硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量等性能好。
【專利說明】一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料及其制備方法，屬于材料合成【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭殺傷性武器的大規(guī)模發(fā)展，早先的防彈材料已經(jīng)不能滿足防彈材料所具備的性能要求。尋求性能優(yōu)越的防彈材料具有重大的國防戰(zhàn)略意義。金屬類材料作為早期防彈材料存在容易被子彈擊穿，防彈系數(shù)低等缺點，并且金屬的密度大，又不能隨意地增加其厚度，否則士兵的作戰(zhàn)能力會直線下降。而陶瓷材料具有強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、高溫蠕變性能小、高溫下耐磨性優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)小、密度低等優(yōu)良的綜合性能，其在防彈的吸能效應(yīng)、磨損效應(yīng)、動力學(xué)效應(yīng)等方面都明顯優(yōu)于金屬材料、高分子材料及其復(fù)合材料，并在軍工防護(hù)中獲得了實際的應(yīng)用，已成為裝甲防護(hù)中的三大主導(dǎo)材料之一。世界各國對陶瓷復(fù)合防彈材料的研究都高度重視，這種研究主要集中在陶瓷-金屬復(fù)合、陶瓷-聚脂薄片復(fù)合、鋼-陶瓷-鋼復(fù)合等方面，這些復(fù)合材料均屬于宏觀上的層狀復(fù)合材料，即層與層之間存在明顯界面且各層之間發(fā)生物理性能突變的層狀復(fù)合材料。由陶瓷和金屬復(fù)合而成的陶瓷-金屬復(fù)合材料，盡管具有很多優(yōu)點，但在內(nèi)部應(yīng)力增大時，會導(dǎo)致材料的破壞，并且其密度由于金屬的存在相對陶瓷材料來說用于裝甲防彈材料上也不具優(yōu)勢。另一方面，陶瓷與聚脂薄片的復(fù)合材料雖然符合防彈材料對輕質(zhì)的要求，但由于材料特性的突變引起的層間應(yīng)力集中、容易導(dǎo)致層裂破壞等不利因素。陶瓷與氧化鋁的防彈材料具有燒結(jié)性能好，工藝成熟，制品尺寸穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低且原料豐富等優(yōu)點，但是其防彈能力略低，密度較大，不能滿足高性能的防彈要求。
[0003]而碳化硼是一種超硬的材料，具有輕質(zhì)、耐磨性能好、耐化學(xué)腐蝕、極佳的彈道性能以及高的種子吸收性能等優(yōu)良性能?？蓱?yīng)用于噴砂機(jī)的噴嘴、密封元件、防彈背心及飛機(jī)的防彈板等防彈材料中。由于碳化硼的晶體結(jié)構(gòu)中有大約93%的共價鍵，使得碳化硼材料的燒結(jié)非常困難。通常要在2300°C熱壓燒結(jié)才能獲得較致密的碳化硼材料，另外，碳化硼是一種非常脆的材料，純碳化硼的斷裂韌性只有2.2MPam1/2，由于上述的缺點，限制了碳化硼的廣泛應(yīng)用。
[0004]目前，國內(nèi)外對改善碳化硼材料的燒結(jié)性能，通過采用直接加入TiB2、SiC、C、Al203以及金屬T1、Al等的方法，使燒結(jié)溫度降低至1700-1800°c，但是材料的硬度卻降到30Gpa以下，斷裂韌性僅為2.5-3.2MPam1/2，且工藝復(fù)雜，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種硬度高、抗折強(qiáng)度大、斷裂韌性好的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，并涉及該高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法。 [0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:70-95%, TiC:0.5-15%，a -SiC: 1-15%，炭黑:0-2%。
[0007]本發(fā)明以硬度大、密度小的碳化硼顆粒為基體，利用顆粒補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制制成防彈材料，并通過合理配伍防彈材料的組成成分及其質(zhì)量百分比，使材料具有密度小，防彈性能好，性價比高等綜合優(yōu)點。燒結(jié)后本發(fā)明防彈材料的物相組成主要為B4C、SiC、TiB2，其中B4C與SiC是主晶相，原料中的TiC基本消失。在反應(yīng)燒結(jié)過程中，生成物能夠阻止基體晶粒的長大從而達(dá)到強(qiáng)化基體的作用。較高的燒結(jié)溫度使形成新相的反應(yīng)順利進(jìn)行，生成較多的TiB2，原料中的SiC呈架狀結(jié)構(gòu)排布，分布在主晶相B4C周圍，起到連接、填隙及強(qiáng)化晶界作用；長棒狀SiC晶相的韌化機(jī)理類似于纖維或晶須，對裂紋主要起到偏折和橋連作用；TiC和B4C生產(chǎn)的棒條狀TiB2也有利于提高材料的性能SiC和TiB2。SiC和TiB2均勻分布于B4C基體周圍，可限制B4C晶粒的異常長大。新生相晶粒尺寸小，因為反應(yīng)生成的TiB2和SiC多，生成的新晶界也越多，晶界能越高，裂紋擴(kuò)展受到的阻力就越大，所以本發(fā)明的材料可顯著提高彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。本發(fā)明防彈材料中嚴(yán)格控制其原料之間的配比，通過各原料之間的協(xié)同作用，使材料中存在較多彌散相，當(dāng)彌散相與基體相的界面結(jié)合加強(qiáng)時，材料斷裂時增韌顆粒將發(fā)生拉伸斷裂，這將有效提高材料的韌性。裂紋擴(kuò)展過程中，如遇到微細(xì)顆粒的阻撓，即產(chǎn)生粒子“釘扎”作用，使裂紋擴(kuò)展受到阻礙或發(fā)生偏轉(zhuǎn)。另外，微裂紋的存在使主裂紋擴(kuò)展時產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、分叉，也會使主裂紋擴(kuò)展消耗更多的能量，因此，本發(fā)明的材料表現(xiàn)出極高的韌性、硬度，材料的防彈性能好。
[0008]在上述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料中，作為優(yōu)選，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:75-90%, TiC:2-12%, a -SiC:2_12%，炭黑:1_2%。
[0009]在上述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料中，進(jìn)一步優(yōu)選，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:83%，TiC:8%，a -SiC:8%，炭黑:1%。
[0010]另外，原料的純度和粒徑對材料性能的影響也十分重要。所選原料的純度越高，雜質(zhì)就越少，生成的晶界強(qiáng)度就越高，材料的性能就越好。在一定范圍內(nèi)，原料的粒徑越小，生成高韌性無壓的溫度越低，越有利于促進(jìn)產(chǎn)品的燒結(jié)。但若原料的粒徑太小，易發(fā)生團(tuán)聚，影響分散性，使組織結(jié)構(gòu)不均勻，從而危害產(chǎn)品的性能。
[0011]在上述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料中，作為優(yōu)選，所述碳化硼的純度為99.0-99.9%，平均粒徑為1-3.5微米。若碳化硼粒徑太粗，素坯密度達(dá)不到要求，即不易壓實，材料內(nèi)部氣孔較多，裂紋擴(kuò)張變快，材料性能下降，尤其是硬度，同時燒成溫度比較高，會嚴(yán)重浪費能源。若碳化硼粒徑太細(xì)，容易團(tuán)聚，組織結(jié)構(gòu)不均勻，同樣降低產(chǎn)品性能。
[0012]在上述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料中，作為優(yōu)選，所述TiC的純度為99.0-99.8%，平均粒徑為2.0-4.5微米。
[0013]在上述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料中，作為優(yōu)選，所述a-SiC的純度為99.0-99.8%，平均粒徑為1-5微米。
[0014]本發(fā)明的第二個目的在于提供一種上述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法，所述的制備方法包括如下步驟:
[0015] S1、稱取如權(quán)利要求1中所述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料組成成分及其質(zhì)量百分比，將稱取好的碳化硼、Tie、a -Sic、炭黑放入球磨機(jī)中，以去離子水為介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨l_3h后將漿料通過120目的篩網(wǎng)；[0016]S2、將過篩后的料漿通過噴霧造粒塔進(jìn)行噴霧造粒，將造粒后的漿料通過60目篩后備用;
[0017]S3、將上述造粒后的漿料裝入模具型腔內(nèi)，在25-100MPa的壓力下干壓成型，保壓時間為5s_20s,制成生還；
[0018]S4、按照圖紙尺寸要求對生坯進(jìn)行加工，將加工好的素坯放入無壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，梯度升溫至2150-2250°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫l_3h后隨爐冷卻，經(jīng)磨加工、拋光處理后制得液相燒結(jié)碳化硼防彈材料。
[0019]本發(fā)明防彈材料的制備過程先將原料稱取好進(jìn)行濕磨，濕磨可使最終材料細(xì)度均勻、單位重量產(chǎn)品的能量消耗低、沒有粉塵飛場、噪音較小，然后通過噴霧干燥的造粒技術(shù)，直接使?jié){料干燥成顆粒狀粉末，可省去蒸發(fā)、粉碎等工序，過篩后通過干壓成型，最后通過梯度升溫進(jìn)行燒結(jié)，制得韌性較高的防彈材料。
[0020]在上述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法中，步驟SI中所述濕磨過程中加入占漿料質(zhì)量5-15%的粘結(jié)劑酚醛樹脂。酚醛樹脂一方面可做粘結(jié)劑，為素坯成型提供粘結(jié)性，否則不能進(jìn)行干壓成型；另一方面殘留的酚醛樹脂會以碳的形式殘留在產(chǎn)品中，即增碳作用，有助于活化燒結(jié)。
[0021]在上述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法中，步驟S2中所述噴霧造粒時造粒塔的進(jìn)口溫度為180-230°C，出口溫度為85-120°C，送料泵轉(zhuǎn)速:45_90r/min，霧化盤轉(zhuǎn)速 14000r/min。
[0022]在上述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法中，步驟S5中所述梯度升溫為以2-5°C /min的升溫速度自室溫升至400°C保溫20_60min，再以2_5°C /min的升溫速度自400°C升至600°C保溫20-30min，然后以8-15°C /min的升溫速度自600°C升至1400°C保溫20-30min，最后以8-20°C /min的升溫速度自1400°C升至2150_2250°C保溫lh_3h。從室溫開始升溫速率較慢且分別在400°C及600°C保溫，主要是因為在低溫時使水分和粘結(jié)劑酚醛樹脂自坯體中充分揮發(fā)出來，從而避免使坯體出現(xiàn)大量氣孔甚至開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降或者報廢。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過合理配伍高韌性無壓燒結(jié)防彈材料的成分，以硬度大、密度小的碳化硼顆粒為基體，利用顆粒補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制制成防彈材料，降低材料的體積密度，提高材料的防彈性能，使材料的體積密度達(dá)2.50-2.59g/cm3，提高材料的硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量等，使材料的肖氏硬度達(dá)120-130HS，抗折強(qiáng)度達(dá)470-490MPa，斷裂韌性達(dá) 5.8-6.8MPa.m1/2，彈性模量達(dá) 430_460MPa。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]表1:實施例1-3中高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的組成成分及其質(zhì)量百分比、 粒徑、純度
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:70-95%, TiC:0.5-15%，a -SiC:1_15%，炭黑:0_2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:75-90%，TiC:2-12%, a -SiC:2_12%，炭黑:1-2%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述防彈材料包括如下質(zhì)量百分比的組成成分:碳化硼:83%，TiC:8%，a -SiC:8%，炭黑:1%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述碳化硼的純度為99.0-99.9%，平均粒徑為1-3.5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述TiC的純度為99.0-99.8%，平均粒徑為2.0-4.5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料，其特征在于，所述a -SiC的純度為99.0-99.8%，平均粒徑為1_5微米。
7.一種高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法，其特征在于，所述的制備方法包括如下步驟: 51、稱取如權(quán)利要求1中所述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料組成成分及其質(zhì)量百分t匕，將稱取好的碳化硼、Tic、a -Sic、炭黑放入球磨機(jī)中，以去離子水為介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨l_3h后將漿料通過1 20目的篩網(wǎng)； 52、將過篩后的料漿通過噴霧造粒塔進(jìn)行噴霧造粒，將造粒后的漿料通過60目篩后備用； 53、將上述造粒后的漿料裝入模具型腔內(nèi)，在25-100MPa的壓力下干壓成型，保壓時間為5s_20s,制成生還； 54、按照圖紙尺寸要求對生坯進(jìn)行加工，將加工好的素坯放入無壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，梯度升溫至2150-2250°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫l_3h后隨爐冷卻，經(jīng)磨加工、拋光處理后制得液相燒結(jié)碳化硼防彈材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法，其特征在于，步驟SI中所述濕磨過程中加入占漿料質(zhì)量5-15%的粘結(jié)劑酚醛樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中所述噴霧造粒時造粒塔的進(jìn)口溫度為180-230°C，出口溫度為85-120°C，送料泵轉(zhuǎn)速:45-90r/min,霧化盤轉(zhuǎn)速 14000r/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述高韌性無壓燒結(jié)碳化硼防彈材料的制備方法，其特征在于，步驟S5中所述梯度升溫為以2-5°C /min的升溫速度自室溫升至400°C保溫20_60min，再以2-5°C /min的升溫速度自400°C升至600°C保溫20_30min，然后以8-15°C /min的升溫速度自600°C升至1400°C保溫20-30min，最后以8-20°C /min的升溫速度自1400°C升至2150-2250°C保溫 lh_3h。
【文檔編號】C04B35/563GK103979970SQ201410139407
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】李友寶, 勵永平 申請人:寧波東聯(lián)密封件有限公司