CN105601280A - 一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法 - Google Patents

一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，采用碳化硅造粒粉为原料，经压制、烘干、排胶、烧结而制成。所述的碳化硅造粒粉包括如下质量百分比的组分：碳化硅微粉60％～73％、酚醛树脂6％～8％、炭黑0.5％～2％、石墨0.5％～2％、碳化硼5％～16％，聚乙烯醇10％～12％；本发明采用碳化硅造粒粉作为制备原料，配以液压成型机进行压制、干燥、排胶、烧结，制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板生产效率高、生产成本低，可以连续化生产。

Description

一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法
技术领域
本发明涉及一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及制备方法，属于陶瓷制备技术领域。
背景技术
人体防弹衣是士兵、警察、保安等特殊工作人员常用的人体防护装备，属于军民两用产品。人体防弹衣一般由内层的陶瓷防弹板和包裹陶瓷防弹板增加穿着舒适性的纤维材料组合而成。陶瓷防弹板是人体防弹衣的重要组成部分，陶瓷防弹板的防弹性能直接决定了人体防弹衣的性能。随着防弹材料地不断发展，人们对防弹材料的防弹性能、重量、穿着舒适性、价格的要求越来越高，因此，轻质、舒适、防弹性能好且价格相对低廉的防弹材料的开发是防弹材料发展的必然趋势。
目前，陶瓷防弹板材质一般为氧化铝、碳化硅或碳化硼。氧化铝材质防弹板防弹性能相对最差，产品重量较重。碳化硅材质防弹板防弹性能较氧化铝防弹板好，产品重量相对氧化铝材质产品轻。碳化硼材质防弹板防弹性能与碳化硅防弹板相近，并且其重量更轻质，但是碳化硼价格十分昂贵。即使是美国陆军，也需要根据实际需要，对防弹衣和碳化硼陶瓷硬质防弹衣合理搭配。
陶瓷防弹板的制备方法主流为拼接法，即先生产出规则形状的陶瓷块，如：正方块、六角方块等，然后再拼接成与人体胸腹轮廓相近的拼接式防弹板，为了能够拼接紧密，需要对陶瓷小块进行磨削、切割等机加工处理，以获得形状规则的陶瓷小块。这种工艺存在的主要问题是：1)工艺过程相对复杂，生产效率低，加工成本高；2)整体性差，虽然可以通过磨削、拼接等工艺制成一个整体，但在使用过程中，由于震动等作用可能会使一些小块脱落，从而使防弹衣报废；3)由于拼接处不是一个整体，强度一般较低，导致防弹效果较差，一旦子弹或单片正好击中结合处，就有可能造成对人体的伤害，存在较大的安全隐患。
目前，市场上也有整体板状防弹板，但是一般为形状简单的方板、弧板，此类防弹板与人体胸腹腔轮廓不能很好的吻合，导致防弹质量差、佩戴舒适性差，也存在影响佩戴人员机动性的风险。多弧面整体防弹板与人体胸腹腔轮廓相吻合,但存在加工成型困难，产品毛坯密度分布不均、易变形，烧结易开裂等问题，鲜有产品上市。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，该防弹板具有质量轻、高防弹、高舒适性能，可广泛应用于人体防护、装甲防护等领域。
本发明还提供一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，该方法制备工艺简单、生产效率高、成本低。
本发明的技术方案为：
一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.70g/cm3～2.90g/cm3，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉，原料组分及其质量百分比组成如下：碳化硅微粉60％～80％、炭黑0.5％～3％、石墨0.5％～3％、碳化硼3％～20％，粘结剂11％～22％，各组分质量百分比之和为100％。
本发明优选的，所述的碳化硅微粉的粒度为4～15μm，进一步优选，9μm。
本发明优选的，碳化硅造粒粉的粒径为0.4～0.45mm。
本发明优选的，所述的碳化硅造粒粉原料组分及其质量百分比组成如下：碳化硅微粉60％～73％、炭黑0.5％～2％、石墨0.5％～2％、碳化硼5％～16％，粘结剂16％～20％，各组分质量百分比之和为100％。
本发明优选的，所述的粘结剂为聚乙烯醇和酚醛树脂，聚乙烯醇的分子量为1000～5000，酚醛树脂分子量为500-3000；进一步优选的，聚乙烯醇与酚醛树脂的质量比为：(8～12)：(3～10)。
本发明使用的粘结剂加热固化后形成交联网，将碳化硅颗粒包覆在交联网中，为坯体提供强度。
本发明优选的，炭黑、石墨、碳化硼的粒径为30-100nm。
本发明优选的，所述的碳化硅造粒粉是按如下方法制备得到：
取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀，得造粒粉混合物，向造粒粉混合物加入质量浓度11％～19％的聚乙烯醇、质量浓度25％～28％的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为造粒粉混合物质量的0.1％～0.5％，去离子水的加入量为造粒粉混合物质量的45％～50％，球磨20～24h、喷雾造粒，即得。
本发明的聚乙烯醇加入时，先用水溶解后再加入。
上述低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，包括步骤如下：
(1)压制：将原料碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，压制成多弧面防弹板坯体；
(2)干燥：将步骤(1)制得的多弧面防弹板坯体于40-80℃下干燥10-30小时；
(3)排胶：将干燥后的多弧面防弹板坯体在真空状态下，升温至温度600-800℃保温10-60min进行排胶，氮气保护降至室温；
(4)修坯：将排胶后的多弧面防弹板坯体修整，得修整后多弧面防弹板坯体；
(5)烧结：将修整后多弧面防弹板坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为坯体质量的0.5-1.5倍，升温至温度1530-1760℃进行烧结，烧结时间：30-180min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，自然降温，得低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板。
本发明优选的，步骤(1)中，压制的压力为18-22MPa，压制时间5-25s。
本发明优选的，步骤(2)中，压制成型的防弹板坯体放入干燥室中干燥，干燥温度优选60-70℃，干燥时间为20-28h。
本发明优选的，步骤(3)中，排胶温度为650-750℃，升温速率为5-20℃/min，保温时间为20-40min；优选的，升温速率为10-15℃/min。
本发明优选的，步骤(5)中，烧结温度为1580-1730℃，保温60-120min，升温速率为2-40℃/min；优选的，升温速率10-30℃。
本发明的多弧面防弹板及多弧面防弹板坯体的压制成型均为现有技术，多弧面防弹板参见中国专利文献CN202869368U公开的一种整体多弧面防弹板，压制多弧面防弹板坯体采用整体多弧面陶瓷防弹板压制成型模具压制成型，参见中国专利文献CN203636954U公开的一种整体多弧面陶瓷防弹板压制成型模具。
本发明优选的，所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板密度为2.70g/cm3～2.90g/cm3，防弹等级为NIJ0101.04《BallisticResistanceofPersonalBodyArmor》中的防弹Ⅳ级。
本发明通过碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨之间的特定配比，压制成坯体，真空条件下烧结，制得SiC陶瓷材料中碳化硼均匀分布于反应烧结SiC陶瓷材料基体中。本发明的方法确保了反应烧结过程中渗硅必需的毛细孔道的形成，使硅原子顺利经毛细孔道由坯体表层进入内部发生反应烧结实现致密化，使坯体表层、内部均有硅的渗入，因而所得材料性能更加均匀、一致，提高了材料的服役可靠性。同时，本发明的方法确保了反应烧结过程中金属硅与碳在高温(1400℃以上)、真空条件下反应生成β-碳化硅相，生成的β-碳化硅与多弧面防弹板坯体中原有的α-碳化硅、碳化硼相结合，而游离的金属硅填充了气孔，形成高致密的B4C/SiC陶瓷材料。
本发明人意外发现，本发明由碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨及粘结剂组成的碳化硅造粒粉，结合本发明的反应烧结方法，使制得的复合陶瓷防弹板能同时满足高防弹、质量轻、高舒适的性能，反应烧结过程中金属硅与碳在高温(1400℃以上)、真空条件下反应生成β-碳化硅相，生成的β-碳化硅与多弧面防弹板坯体中原有的α-碳化硅、碳化硼相结合，而游离的金属硅填充了气孔，形成高致密的B4C/SiC陶瓷材料，炭粉、石墨的加入增强了防弹性能，同时降低了成本，使用的粘结剂加热固化后形成交联网，将碳化硅颗粒包覆在交联网中，为坯体提供强度本发明的碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨及粘结剂各物质的组成比例是本领域的技术人员经过长期的实验摸索得到的，尤其是碳化硅、碳化硼、炭粉、石墨的比例，能减轻防弹板的质量，同时又保证了防弹板的抗弹性能，使成本降低，其防护能力达到NIJ0101.04防弹等级标准规定的Ⅳ级防护要求。
本发明的有益效果
1、本发明采用碳化硅造粒粉作为制备原料，配以液压成型机进行压制、干燥、排胶、修坯、烧结，制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板生产效率高、成本低，价格低廉，可以连续化生产。
2、本发明采用碳化硅造粒粉作为制备原料，选用液压成型机压制代替拼接法成型，效率明显提高，适合连续生产，制得的防弹板大小、密度、硬度、防弹性能均匀统一。
3、本发明制备出的复合防弹板密度在2.90g/cm3以下，轻质且高致密度，防弹性能好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例中采用的原料碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼、聚乙烯醇均为市售原料。
实施例中的液压成型机，购自佛山市南海区迈驰机械制造有限公司，型号YS600-1200。
排胶炉、烧结炉，购自沈阳沈真真空技术有限责任公司，型号为VQS系列高温真空烧结炉。
实施例1
一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉包括如下质量百分比的组分：碳化硅微粉70％、酚醛树脂6％、炭黑2％、石墨2％、碳化硼10％，聚乙烯醇10％；
碳化硅造粒粉原料的制备步骤如下：
取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀后加入质量浓度12％的聚乙烯醇、质量浓度为25％的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的0.1％，去离子水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的45％，经球磨20h、喷雾造粒，制得本发明的碳化硅造粒粉。
低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备步骤如下：
(1)压制：将碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，采用液压成型机压制成防弹板坯体,压力为18MPa,保压时间为25s；
(2)干燥：将制备的防弹板坯体于80℃下干燥10小时；
(3)排胶：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至700℃保温30min，所述的升温速率为10℃/min，氮气保护降至室温。
(4)修坯：将排胶后的防弹板坯体修至要求尺寸。
(5)烧结：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至1700℃，保温60min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，所述的升温速率为20℃/min，自然降温后得本发明的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.85g/cm3,防弹等级为NIJ0101.04《BallisticResistanceofPersonalBodyArmor》中的防弹Ⅳ级。
实施例2
一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉包括如下质量百分比的组分：碳化硅微粉60％、酚醛树脂8％、炭黑3％、石墨1％、碳化硼16％，聚乙烯醇12％；
碳化硅造粒粉原料的制备步骤如下：
取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀后加入质量浓度14％的聚乙烯醇、质量浓度为27％的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的0.2％，去离子水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的48％，经球磨22h、喷雾造粒，制得本发明的碳化硅造粒粉。
低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备步骤如下：
(1)压制：将碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，采用液压成型机压制成防弹板坯体,压力为20MPa,保压时间为15s；
(2)干燥：将制备的防弹板坯体于60℃下干燥15小时；
(3)排胶：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至750℃保温20min，所述的升温速率为15℃/min，氮气保护降至室温。
(4)修坯：将排胶后的防弹板坯体修至要求尺寸。
(5)烧结：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至1650℃，保温40min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，所述的升温速率为15℃/min，自然降温后得本发明的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.84g/cm3,防弹等级为NIJ0101.04《BallisticResistanceofPersonalBodyArmor》中的防弹Ⅳ级。
实施例3
低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉包括如下质量百分比的组分：碳化硅微粉68％、酚醛树脂7％、炭黑3.5％、石墨1.5％、碳化硼9％，聚乙烯醇11％；
碳化硅造粒粉原料的制备步骤如下：
取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀后加入质量浓度16％的聚乙烯醇、质量浓度为28％的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的0.4％，去离子水的加入量为碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合物料质量的50％，经球磨24h、喷雾造粒，制得本发明的碳化硅造粒粉。
低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备步骤如下：
(1)压制：将碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，采用液压成型机压制成防弹板坯体,压力为22MPa,保压时间为10s；
(2)干燥：将制备的防弹板坯体于70℃下干燥20小时；
(3)排胶：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至650℃保温40min，所述的升温速率为12℃/min，氮气保护降至室温。
(4)修坯：将排胶后的防弹板坯体修至要求尺寸。
(5)烧结：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至1760℃，保温120min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，所述的升温速率为10℃/min，自然降温后得本发明的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.83g/cm3,防弹等级为NIJ0101.04《BallisticResistanceofPersonalBodyArmor》中的防弹Ⅳ级。
对比例1
一种B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，同实施例1，不同之处在于，复合陶瓷防弹板的制备步骤如下：
(1)压制：将碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，采用液压成型机压制成防弹板坯体,压力为18MPa,保压时间为25s；
(2)干燥：将制备的防弹板坯体于80℃下干燥10小时；
(3)排胶：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至700℃保温30min，所述的升温速率为10℃/min，氮气保护降至室温。
(4)修坯：将排胶后的防弹板坯体修至要求尺寸。
(5)烧结：将干燥后的防弹板坯体在真空状态下，升温至2030℃，保温0.5h进行无压烧结，之后冷却，降至室温，制得。
对比例2
一种B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，同实施例1，不同之处在于，
碳化硅微粉70％、酚醛树脂6％、炭黑4％、碳化硼10％，聚乙烯醇10％。
实验例
一、低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板及对比例1性能检测
本发明制得低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板与对比例1的防弹版、市售碳化硼防弹板、碳化硅防弹板相比，生产成本、密度、防弹性能对比结果如下表1所示。
防弹性能：将防弹板进行弹道测试，使用53式7.62mm穿甲***，子弹速度：860.6m/s，实施例1-3处理制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板具有明显的抗弹丸击穿，不崩裂性能，其防护能力达到NIJ0101.04防弹等级标准规定的Ⅳ级防护要求。对比例1-2产品由于毛坯密度分布不一致，烧结过程中收缩不一致，导致烧结失败，产品开裂。
表1
本发明实施例1-3制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板与市售碳化硼、碳化硅防弹板相对比发现，防弹等级相同情况下，本发明产品生产成本更低、生产效率更高，本发明采用压制成型，有利于大规模生产。
二、本发明制得低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板实施例1-3与对比例2的防弹板密度、防弹性能对比结果如下表2所示。
本发明实施例1-3制得的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板与对比例1-2相比产品密度均较低,、防弹性能均达到NIJ0101.04防弹Ⅳ级。

Claims (10)

1.一种低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，密度为2.70g/cm3～2.90g/cm3，采用碳化硅造粒粉为原料，所述的碳化硅造粒粉，原料组分及其质量百分比组成如下：碳化硅微粉60％～80％、炭黑0.5％～3％、石墨0.5％～3％、碳化硼3％～20％，粘结剂11％～22％，各组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，所述的碳化硅微粉的粒度为4～15μm，进一步优选，9μm。
3.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，碳化硅造粒粉的粒径为0.4～0.45mm。
4.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，所述的碳化硅造粒粉原料组分及其质量百分比组成如下：碳化硅微粉60％～73％、炭黑0.5％～2％、石墨0.5％～2％、碳化硼5％～16％，粘结剂16％～20％，各组分质量百分比之和为100％。
5.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，所述的粘结剂为聚乙烯醇和酚醛树脂，聚乙烯醇的分子量为1000～5000，酚醛树脂分子量为500-3000；进一步优选的，聚乙烯醇与酚醛树脂的质量比为：(8～12)：(3～10)。
6.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，炭黑、石墨、碳化硼的粒径为30-100nm。
7.根据权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板，其特征在于，所述的碳化硅造粒粉是按如下方法制备得到：
取碳化硅微粉、酚醛树脂、炭黑、石墨、碳化硼混合均匀，得造粒粉混合物，向造粒粉混合物加入质量浓度11％～19％的聚乙烯醇、质量浓度25％～28％的氨水和去离子水混合均匀，氨水的加入量为造粒粉混合物质量的0.1％～0.5％，去离子水的加入量为造粒粉混合物质量的45％～50％，球磨20～24h、喷雾造粒，即得。
8.权利要求1所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，包括步骤如下：
(1)压制：将原料碳化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅造粒粉，压制成多弧面防弹板坯体；
(2)干燥：将步骤(1)制得的多弧面防弹板坯体于40-80℃下干燥10-30小时；
(3)排胶：将干燥后的多弧面防弹板坯体在真空状态下，升温至温度600-800℃保温10-60min进行排胶，氮气保护降至室温；
(4)修坯：将排胶后的多弧面防弹板坯体修整，得修整后多弧面防弹板坯体；
(5)烧结：将修整后多弧面防弹板坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为坯体质量的0.5-1.5倍，升温至温度1530-1760℃进行烧结，烧结时间：30-180min，烧结过程中通入氩气作为保护气体，自然降温，得低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板。
9.根据权利要求8所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，压制的压力为18-22MPa，压制时间5-25s，步骤(2)中，压制成型的防弹板坯体放入干燥室中干燥，干燥温度优选60-70℃，干燥时间为20-28h。
10.根据权利要求8所述的低成本轻质高防弹性能B4C/SiC复合陶瓷防弹板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，排胶温度为650-750℃，升温速率为5-20℃/min，保温时间为20-40min；优选的，升温速率为10-15℃/min；步骤(5)中，烧结温度为1580-1730℃，保温60-120min，升温速率为2-40℃/min；优选的，升温速率10-30℃。
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