CN103771892B - 金属强化陶瓷板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属强化陶瓷板及其制备方法。本发明所提供的金属强化陶瓷板含有增强金属网、由陶瓷粉末熔胶形成的基体和玻璃粉助烧剂。本发明所提供的金属强化陶瓷板的金属增强相在陶瓷基体中分布均匀，材料性能可控性好，并且本发明的金属强化陶瓷板的生产工艺更为简单、原料成本更低、产品性能更稳定，可以在一定范围内通过加减金属网的种类与数量方便的调节产品的力学性能和密度，达到对产品性能的精确预测与控制。

Description

金属强化陶瓷板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合型陶瓷板及其制备方法，特别是一种金属强化陶瓷板及其制备方法。

背景技术

工程材料有各种不同的分类方法，比较科学的方法是根据材料的本性或材料结合键的性质进行分类。一般地，工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。

金属材料是最重要的工程材料，它包括金属和以金属为基的合金。由于金属构成原子之间的结合键基本上是金属键，所以金属材料皆为金属晶体，导电、导热、延展性都很好。金属材料具有良好的加工性能，可以通过冲压、车削、焊接等多种方式进行加工，并且可以根据需要调整化学成分和热处理方式得到人们需要的各种产品。而且金属材料的可靠性较好，生产工艺成熟，产品性能稳定，所以是最重要的工程材料。

陶瓷材料具有硬度高，化学成分稳定，抗腐蚀、耐高温等优点，但其缺点是质脆，经不起热冲击。而且陶瓷材料的可靠性不如金属材料。陶瓷材料具有脆性高、韧性不好和后加工困难等缺点，所以在很大程度上限制了陶瓷材料的应用范围。

以往也有过陶瓷—金属复合材料方面的研究。比如金属基陶瓷复合物材料，通过向金属基体中增加陶瓷相提高金属的硬度和耐磨性能，金属纤维增强陶瓷复合材料，通过在陶瓷中增加金属纤维或晶须增加陶瓷的韧性、抗冲击性能等等。添加的方式通常是将增强相混入基体原料中或在原料中添加能产生增强相的原料通过原位反应生成细小的增强相。但是以往的技术都存在增强相在基体中分布不均匀，材料性能可控性不好等现象。而且原料价格较高，限制了产品的生产规模和应用范围。

金属和陶瓷材料在防弹领域的应用情况与一般情况基本一致。金属防弹材料的加工性能好、强度性能稳定、易于安装和检修、韧性好、抗多次击打能力好。但硬度低、高温强度差、密度高、重量大、不耐腐蚀。陶瓷材料具有硬度好、密度小、抗压强度高、高温强度高、弹性模量高、化学稳定性好、耐腐蚀等优点，但同样也有形状加工困难、性能不稳定、脆性高、韧性差、抗多次击打能力较弱的缺点。只有将上述两类材料复合起来才能达到优势互补，充分发挥陶瓷硬度高、密度小，金属韧性好、抗多次击打能力强的特点，从而得到重量轻、防弹效果好又抗多次击打的新型防弹材料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种增强相在基体中分布均匀、材料性能可控性好的金属强化陶瓷板。

本发明的另一个目的是提供上述金属强化陶瓷板的制备方法。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。

一方面，本发明提供一种金属强化陶瓷板，该陶瓷板是通过一个烧制步骤来制备的，所述陶瓷板含有增强金属网、由陶瓷粉末熔胶形成的基体和玻璃粉助烧剂。

优选地，所述的增强金属网为编织金属网或焊接金属网。这两种金属网可以为金属强化陶瓷板提供与其金属丝平行的二维拉力约束。为了增加厚度方向的增强效果可以使用焊接或者捆扎的方式使几层金属网形成三维立体结构，从而达到三个方向的增强效果。

优选地，所述增强金属网的材料可以选用各种金属或者合金，例如碳钢、不锈钢、钛、镍等等。

优选地，所述陶瓷粉末选用碳化硼、碳化硅、氧化铝或其它高硬度的陶瓷材料。使用时根据对产品的硬度、防弹性能、重量和成本要求进行选择。

优选地，所述玻璃粉助烧剂的添加量为所述金属强化陶瓷材料总重量的10-50%。玻璃粉材料可以根据增强金属网和陶瓷粉末的情况进行选择，以保证良好的膨胀系数匹配、良好的化学稳定性和良好的浸润效果。

另一方面，本发明提供一种金属强化陶瓷板的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1）选择合适的原材料，按比例混合成为陶瓷原料。

2）选择合适的金属增强材料，并裁减、捆扎或者焊接成略小于目标产品的尺寸。

3）使用模具成型。

4）使用窑炉热处理。

选择原料时需要根据产品的性能要求、成本约束选择合适的原料种类；根据产品的规格尺寸选择合适的陶瓷材料粒度组成和增强金属网的规格、尺寸。材料的选择以保证产品性价比和可加工性的优化为目的。

优选地，步骤3）中所述的模具成型方式选用常温振捣浇铸、模具压制、高温热压浇铸中的一种，目的是得到规定尺寸的密实程度较高的产品。如果采用常温成型工艺，为保证生坯强度需要添加适当的粘结剂，常见的酚醛树脂、纤维素、石蜡、聚乙烯醇等粘结剂都可以使用。

优选地，步骤4）所述热处理过程中的最高烧结温度在700-1300℃之间。可以根据最高烧结温度助烧剂的种类和加入量，以保证产品加工工艺的可行性。最高烧结温度主要由增强金属网的种类和性能决定，避免烧结温度过高导致增强金属网材料的损坏和性能下降。

优选地，步骤4）中所述窑炉选用电阻炉、感应炉或其它能达到烧结温度的窑炉中的一种。

本发明通过向陶瓷粉末中加入玻璃粉等助烧剂的方式降低陶瓷基体的整体烧结温度。利用助烧剂在较低温度产生的液相加速陶瓷基体的烧结过程。一方面，助烧剂在较低的温度下就可以产生大量的液相，加速传热与传质过程，加快其它陶瓷材料的烧结过程；另一方面，单独的玻璃相也可以起到粘接其它陶瓷颗粒的作用。同时玻璃产生的液相可以包裹在增强金属网的表面，有助于防止烧结过程中增强金属网的氧化。玻璃的膨胀系数介于其它陶瓷颗粒和金属材料之间，也有助于陶瓷基体和增强材料间的结合界面的良好过渡。实现低温烧结是获得本发明金属强化陶瓷板的重要前提。

本发明采用上述技术方案后所能达到的有益效果是：

一、相对于以往使用金属纤维或晶须进行增强的产品和方法来说，使用增强金属网增强陶瓷材料，其生产工艺更为简单、原料成本更低、产品性能更稳定，并且可以在一定范围内通过加减金属网的种类与数量方便的调节产品的力学性能和密度，达到对产品性能的精确预测与控制。由于使用增强金属网代替了晶须或纤维，所以在产品制造过程中成功规避了由于由于添加晶须或纤维引起的混料不匀现象，增强相的加入数量也有所扩大，产品的性能参数可以在更大的范围内进行调节。金属网可以是二维的，也可以是三维的，生产中可以通过调整增强金属网的种类、数量和组合方式控制最终产品的力学性能，可以方便的实现产品的各向异性。这对于制作防弹材料尤为有利，可以通过调整增强金属网的分布状态强化防弹材料抗打击区的强度而不必为改变其它方向的强度增加额外的费用。

二、由于本发明产品的结构决定，可以将金属增强材料完全包覆在陶瓷材料之内。通过较好的烧结条件可以使陶瓷材料的孔隙率降得很低，特别是可以深入到材料内部的联通气孔率非常低，所以加工完毕后金属增强材料在产品中不会直接接触到水、空气、盐分等常见的腐蚀性介质。加上陶瓷材料良好的化学稳定性，产品对其它强腐蚀介质都具有非常好的耐受力。这会极大地提高产品的使用寿命，延长检修周期。

附图说明

图1是本发明实施例1所得的钢强化碳化硅板的X光检测图。

具体实施方式

实施例1

选用碳化硅为主要陶瓷材料，玻璃粉为助烧剂，低碳钢焊接金属网为金属增强材料，热压制备200×200×12mm的产品，将F46、F230、F1200规格的碳化硅粉末、玻璃粉按5：2：1：2的比例均匀混合，后加入聚乙烯醇水溶液调成具有一定流动性的料浆。在振捣平台上放置模具，并将制作好的金属网放入其中。在振捣状态下加入料浆，使料浆充满金属网间的空隙，并将料浆中的空气尽可能排出。将模具放入烘箱120℃干燥。待生坯完全干燥后将其从模具中取出。将干燥好的生坯放入热压炉中进行热压烧结。所得金属增强材料占比为10%时，所得产品的密度为3.5g/cm³。

实施例2

选用碳化硅为主要陶瓷材料，玻璃粉为助烧剂，低碳钢焊接金属网为金属增强材料，热压制备300×300×80mm产品。将F46、F230、F1200碳化硅陶瓷粉末、玻璃粉按3：2：1：4的比例均匀混合。坩埚中加热到1100-1200℃。将裁剪、捆扎好的低碳钢金属网在模具中固定好，再将流体状态的原料浇铸到其中，自然冷却。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (1)

1.一种金属强化陶瓷板，该陶瓷板是通过烧制制备的，所述陶瓷板含有增强金属网、由陶瓷粉末熔胶形成的基体和玻璃粉助烧剂，所述的增强金属网为三维立体结构的编织金属网或焊接金属网，增强金属网材料选用碳钢、不锈钢、钛、镍中的一种或几种，所述陶瓷粉末选用碳化硼、碳化硅、氧化铝中的一种或几种，所述玻璃粉助烧剂的添加量为所述金属强化陶瓷板材料总重量的10-50%，所述金属强化陶瓷板的制备方法为：

1）选择合适的原材料，按比例混合成为陶瓷原料；

2）选择合适的金属增强材料，并裁减、捆扎或者焊接成略小于目标产品的尺寸；

3）使用模具成型，模具成型方式选用常温振捣浇铸、模具压制、高温热压浇铸中的一种；

4）使用窑炉热处理，热处理过程中的最高烧结温度在700-1300℃之间，窑炉选用电阻炉或感应炉。