CN103382099A - 一种三明治结构的防弹陶瓷片及低温烧结制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85-95%Al₂O₃+5-15%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为75-85%Al₂O₃+15-25%ZrO₂；烧结后三明治结构防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:5－15；防弹陶瓷片的表面为正六边形或正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40－60mm，厚度7－12mm，或正方形边长为30－60mm，厚度7－12mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5-99.5%，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11MPa·m^1/2。可作为人体、装甲的硬质防弹材料使用。通过对氧化铝－氧化锆复合陶瓷引入三明治结构，保证相邻层间一定成分差异，使陶瓷片具有优秀抗冲击性能；并引入三步成型法，在大气环境、较低温度下完成陶瓷片的致密化。

Description

一种三明治结构的防弹陶瓷片及低温烧结制备方法

 

技术领域    

本发明涉及一种特殊结构的防弹陶瓷材料及其制备方法，具体是一种具有三明治结构的氧化物防弹陶瓷片及低温烧结的制备方法。本发明主要用于防护产品中的硬质防弹材料，属于防护材料技术领域。

背景技术

随着军事科学技术的进步，子弹类攻击性武器的性能大幅提高，对人体和装备的威胁越来越大。从人体和装备的防护角度出发，要求防弹材料具有更高的防护效果和更加经济合理的制造手段。针对弹速快、***力高的子弹冲击，仅仅依靠软质防护材料对能量的缓冲和分散是不可靠的，硬质防护材料在许多防护场合的使用，如装甲防护等是必不可少的。其中，陶瓷类材料是硬质防弹材料的典型代表。

氧化铝基复合陶瓷由于具有低密度、高强度和硬度，制备工艺简单，在硬质防弹材料领域得到了广泛的应用。然而，由于其较低的韧性和相应较低的抗冲击性能，只能作为低等级防护的硬质防弹材料，或作为面板材料，配合其它背板材料复合构成结构复杂、成本较高的防弹材料。而目前用于较高等级防护的陶瓷类材料以纤维增强碳化硼或碳化硅为主。如专利“整体弧形大尺寸氧化铝防弹陶瓷板及其模具和制法”（201110088420.6）就是通过氧化铝面板与其它材料的背板复合构成；专利“碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法”（200610042047.X）借助添加碳化硅晶须制备碳化硼复合防弹陶瓷，晶须分散工艺相对复杂，对设备和产品稳定性要求高，并需要借助气氛和压力完成烧结，制备成本较高。

此外，按照氧化铝基防弹陶瓷的常规烧结方法，即其在大气环境下烧结，通常的烧结温度较高，即使添加合适的助烧剂，通常的烧结致密温度也在1600℃以上，否则陶瓷很难致密。而采用放电等离子烧结(SPS)或热等静压烧结（HIP）等技术，虽然烧结温度可大幅下降，但相应的成本非常高，且工艺复杂。专利“纳米碳化硅增韧氧化铝防弹陶瓷的制备方法”（200910015239.5）中涉及的烧结温度为1650-1700℃，据分析，且使用的是气氛保护工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种三明治结构的防弹陶瓷片及其低温烧结制备方法，通过对氧化铝－氧化锆复合陶瓷进行成分设计和结构设计，陶瓷片表面为硬质防弹陶瓷片常用的正六边形或正方形，在与冲击面垂直方向引入三明治层状结构，并保证相邻层之间一定的成分差异，以期在烧结过程中获得合适的热失配从而提高其抗冲击性能和其它机械性能；并在制备工艺中引入三步成型法，即模压预压－模压终压－冷等静压，最终在大气环境、1520-1620℃的较低烧结温度下完成复合陶瓷的致密化过程。获得的防弹陶瓷片具有以下性能特征：相对密度98.5-99.5%，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11 MPa·m^1/2；可作为硬质防弹材料使用。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85-95%Al₂O₃+5-15%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂；烧结后三明治结构的防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:5－15；防弹陶瓷片的表面为正六边形或正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40－60mm，厚度7－12mm，或正方形边长为30－60mm，厚度7－12mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5-99.5%，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11 MPa·m^1/2。

所述的三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，该防弹陶瓷片的上下表面层Al₂O₃含量高于中心层Al₂O₃含量，上下表面层ZrO₂含量低于中心层ZrO₂含量，以保证在烧结过程中获得合适的热失配，从而提高防弹陶瓷片抗冲击性能。

所述的三明治结构的防弹陶瓷片的制备方法，其制备步骤如下：

（1）复合粉末的配制：按质量百分比分别配制85-95% Al₂O₃+5-15%ZrO₂和75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂复合粉末，分别经球磨混料、干燥、研磨后分别备用；

（2）三明治结构防弹陶瓷片坯体的成型：本陶瓷片坯体按模压预压－模压终压－冷等静压的三步加压法成型；根据三明治结构的层状陶瓷的表面层与中心层的厚度比计算出的表面层和中心层粉末质量，按顺序依次将质量百分比为85-95% Al₂O₃+5-15%ZrO₂复合粉末、75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂复合粉末、85-95% Al₂O₃+ 5-15% ZrO₂复合粉末倒入预制的模具中，并在每次粉末倒入后施加20-50MPa的压力预压成型，再最终施加100-150MPa的压力成型，脱模后获得坯体；坯体最终经180-220MPa冷等静压成型备用；

（3）三明治结构防弹陶瓷片的烧结：将上述坯体在1520 －1620oC 的普通大气烧结炉内烧结并保温90－180分钟。

所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的Al₂O₃和ZrO₂粉末均为亚微米或微米粒径粉末，其中在Al₂O₃中添加少量的MgO粉末作为助烧剂，在ZrO₂中添加少量的Y₂O₃粉末作为稳定剂。

所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的成型模具为正六边形或正方形模具，尺寸按烧结收缩比计算。

所述的三明治结构的防弹陶瓷片，相对密度按排水法测试，抗冲击韧性按落锤法测试，抗弯强度按三点弯曲法测试，断裂韧性按压痕法测试。

本发明有益的效果：通过对氧化铝－氧化锆复合陶瓷进行成分设计和结构设计，在与陶瓷片冲击面垂直方向引入三明治层状结构，并保证相邻层之间一定的成分差异，在烧结过程中获得合适的热失配，获得残余压应力，使外来冲击功在层间界面和内部压应力的协同作用下得到分散和消耗，从而提高陶瓷片的抗冲击性能和其它机械性能；并在制备工艺中引入三步成型法，即模压预压－模压终压－冷等静压，最终在大气环境、1520-1620℃的较低烧结温度下完成复合陶瓷的致密化过程。获得的防弹陶瓷片相对密度大于98.5%，抗冲击韧性大于1J，抗弯强度大于500MPa，断裂韧性大于8 MPa·m^1/2；可作为硬质防弹材料使用。

 

附图说明

图1：三明治结构的层状防弹陶瓷片设计示意图；图中表面层与中心层厚度比d₁：d₂=1:5－15，总厚度d＝7－12mm；

图2：烧结后防弹陶瓷片的界面显微形貌；界面相邻部分具有优秀的结合，无分层裂纹；

图3：防弹陶瓷片抗弯强度试验后的断口形貌；可看出清晰的解理断口，和穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂；

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为95%Al₂O₃+5%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为85% Al₂O₃+15%ZrO₂；烧结后三明治结构的防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:12；防弹陶瓷片的表面为正六边形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长50mm，厚度10mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度99.5%，抗冲击韧性1.4J，抗弯强度577MPa，断裂韧性10.56 MPa·m^1/2。

其制备步骤如下：

（1）复合粉末的配制：按质量百分比分别配制95%Al₂O₃+5%ZrO₂和85% Al₂O₃+15%ZrO₂复合粉末，经球磨混料、干燥、研磨后备用；其中Al₂O₃和ZrO₂粉末粒径分别为4和0.6微米，其中Al₂O₃中包含质量百分比为0.5%的MgO粉末作为助烧剂，ZrO₂中包含质量百分比为3%的Y₂O₃粉末作为稳定剂；

（2）三明治结构陶瓷防弹片坯体的成型：本陶瓷片坯体按模压预压－模压终压－冷等静压的三步加压法成型；根据三明治结构的层状陶瓷的表面层与中心层的厚度比计算出的表面层和中心层粉末质量，按顺序依次将一定质量的95%Al₂O₃+5%ZrO₂复合粉末、85% Al₂O₃+15%ZrO₂复合粉末、95%Al₂O₃+5%ZrO₂复合粉末倒入预制的正六边形模具中，并在每次粉末倒入后施加20MPa的压力预压成型，再最终施加130MPa的压力成型，脱模后获得坯体；坯体最终经200MPa冷等静压成型备用；

（3）三明治层状结构防弹片的烧结：将坯体在1560oC 的普通大气烧结炉内烧结并保温120分钟。

上述三明治结构的防弹陶瓷片，相对密度按排水法测试，抗冲击韧性按落锤法测试，抗弯强度按三点弯曲法测试，断裂韧性按压痕法测试。

 

实施例2：

一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85%Al₂O₃+15%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为75% Al₂O₃+25%ZrO₂；烧结后三明治结构的防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:6；防弹陶瓷片的表面为正六边形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40mm，厚度8mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5%，抗冲击韧性1.0J，抗弯强度514MPa，断裂韧性9.88 MPa·m^1/2。

其制备步骤如下：

（1）复合粉末的配制：按质量百分比分别配制85%Al₂O₃+15%ZrO₂和75% Al₂O₃+25%ZrO₂复合粉末，经球磨混料、干燥、研磨后备用；其中Al₂O₃和ZrO₂粉末粒径分别为4和0.6微米，其中Al₂O₃中包含质量百分比为0.5%的MgO粉末作为助烧剂，ZrO₂中包含质量百分比为3%的Y₂O₃粉末作为稳定剂；

（2）三明治层状结构防弹片坯体的成型：本陶瓷片坯体按模压预压－模压终压－冷等静压的三步加压法成型；根据三明治结构的层状陶瓷的表面层与中心层的厚度比计算出的表面层和中心层粉末质量，按顺序依次将一定质量的85%Al₂O₃+15%ZrO₂复合粉末、75% Al₂O₃+25%ZrO₂复合粉末、85%Al₂O₃+15%ZrO₂复合粉末倒入预制的正六边形模具中，并在每次粉末倒入后施加50MPa的压力预压成型，再最终施加150MPa的压力成型，脱模后获得坯体；坯体最终经220MPa冷等静压成型备用；

（3）三明治层状结构防弹片的烧结：将坯体在1540 oC 的普通大气烧结炉内烧结并保温180分钟。

上述三明治结构的防弹陶瓷片，相对密度按排水法测试，抗冲击韧性按落锤法测试，抗弯强度按三点弯曲法测试，断裂韧性按压痕法测试。

 

实施例3：

一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为90%Al₂O₃+10%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为80% Al₂O₃+20%ZrO₂；烧结后三明治结构的防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:10；防弹陶瓷片的表面为正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正方形边长40mm，厚度10mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度99%，抗冲击韧性1.2J，抗弯强度507MPa，断裂韧性10.44MPa·m^1/2。

其制备步骤如下：

（1）复合粉末的配制：按质量百分比分别配制90%Al₂O₃+10%ZrO₂和80% Al₂O₃+20%ZrO₂复合粉末，经球磨混料、干燥、研磨后备用；其中Al₂O₃和ZrO₂粉末粒径分别为4和0.6微米，其中Al₂O₃中包含质量百分比为0.5%的MgO粉末作为助烧剂，ZrO₂中包含质量百分比为3%的Y₂O₃粉末作为稳定剂；

（2）三明治层状结构防弹片坯体的成型：本陶瓷片坯体按模压预压－模压终压－冷等静压的三步加压法成型；根据三明治结构的层状陶瓷的表面层与中心层的厚度比计算出的表面层和中心层粉末质量，按顺序依次将一定质量的90%Al₂O₃+10%ZrO₂复合粉末、80% Al₂O₃+20%ZrO₂复合粉末、90%Al₂O₃+10%ZrO₂复合粉末倒入预制的正方形模具中，并在每次粉末倒入后施加30MPa的压力预压成型，再最终施加100MPa的压力成型，脱模后获得坯体；坯体最终经180MPa冷等静压成型备用；

（3）三明治层状结构防弹片的烧结：将坯体在1600oC 的普通大气烧结炉内烧结并保温90分钟。

上述三明治结构的防弹陶瓷片，相对密度按排水法测试，抗冲击韧性按落锤法测试，抗弯强度按三点弯曲法测试，断裂韧性按压痕法测试。

Claims (4)

1.一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85-95%Al₂O₃+5-15%ZrO₂，中心层成分按质量百分比为75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂；烧结后三明治结构防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:5－15；防弹陶瓷片的表面为正六边形或正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40－60mm，厚度7－12mm，或正方形边长为30－60mm，厚度7－12mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5-99.5%，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11 MPa·m^1/2。

2.如权利要求1所述的三明治结构的防弹陶瓷片，其特征在于，该防弹陶瓷片的上下表面层Al₂O₃含量高于中心层Al₂O₃含量，上下表面层ZrO₂含量低于中心层ZrO₂含量，以保证在烧结过程中获得合适的热失配，从而提高防弹陶瓷片抗冲击性能。

3.一种制备三明治结构的防弹陶瓷片的方法，其制备步骤如下：

（1）复合粉末的配制：按质量百分比分别配制85-95% Al₂O₃+5-15%ZrO₂和75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂复合粉末，分别经球磨混料、干燥、研磨后分别备用；

（2）三明治结构防弹陶瓷片坯体的成型：本陶瓷片坯体按模压预压－模压终压－冷等静压的三步加压法成型；根据三明治结构的层状陶瓷的表面层与中心层的厚度比计算出的表面层和中心层粉末质量，按顺序依次将质量百分比为85-95% Al₂O₃+5-15%ZrO₂复合粉末、75-85% Al₂O₃+15-25%ZrO₂复合粉末、85-95% Al₂O₃+ 5-15% ZrO₂复合粉末倒入预制的模具中，并在每次粉末倒入后施加20-50MPa的压力预压成型，再最终施加100-150MPa的压力成型，脱模后获得坯体；坯体最终经180-220MPa冷等静压成型备用；

（3）三明治结构防弹陶瓷片的烧结：将上述坯体在1520－1620oC 的普通大气烧结炉内烧结并保温90－180分钟。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的Al₂O₃和ZrO₂粉末均为亚微米或微米粒径粉末，其中在Al₂O₃中添加少量的MgO粉末作为助烧剂，在ZrO₂中添加少量的Y₂O₃粉末作为稳定剂。

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