专利名称：一种复合防弹陶瓷材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种防护材料及其制备方法，更特别地说，是指一种采用碳纤维增强 碳化硼的复合防弹陶瓷材料及其制备方法。
技术背景陶瓷材料具有高硬度和低密度的特点，是优良的防护(如抗弹)材料之一。在当 前使用的防弹陶瓷中，碳化硼防弹陶瓷具有密度最低，硬度最髙，是较理想的装甲陶 瓷。尤其是在航空装甲及防弹衣等以减重为首要前提的装甲系统中，碳化硼防弹陶瓷 被优先选用。公开号CN1803714A中公开了一种"碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法"， 该碳化硼基复合防弹陶瓷由碳化硼粉体、碳化硅晶须、硅粉和硼化物组成，制备 方法中通过采用无水乙醇为介质，球磨混合，真空干燥制得混合粉末，然后在 1700 2000。C温度下和30 40M尸a压力下热压烧结而成。发明 内容本发明的目的是提供一种具有低密度、高强度、高韧性的碳纤维增强碳化硼防弹 陶瓷复合材料，该复合防弹陶瓷材料以碳化硼为基体，碳纤维为增强体，采用高速粉 碎混料、模压制预成型体、热压烧结制防弹陶瓷件。本发明复合防弹陶瓷材料由70~97重量份的碳化硼和3~30重量份的碳纤维 组成。该复合防弹陶瓷材料的密度为2.30 2.48g/cm3;在18 25匸温度条件下 的维氏硬度为24 38G户a,弯曲强度为420 600M尸"，弹性模量为400 460GPa，断裂韧性为2.8 4,lMPfl.w1/2。碳纤维是T700碳纤维、M40碳纤维 或者M55J碳纤维。本发明碳纤维增强碳化硼防弹陶瓷复合材料的优点(1)通过添加碳纤维提 高了碳化硼陶瓷的强度和韧性；(2)通过添加碳纤维降低了碳化硼陶瓷的密度； (3)通过添加碳纤维提高了碳化硼陶瓷的防弹性能，当其用作装甲时，可有效减 轻装甲重量。
图1是本发明复合防弹陶瓷材料的弯曲强度测试的载荷一位移曲线。图2是本发明复合防弹陶瓷材料的微观形貌的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明复合防弹陶瓷材料由70~97重量份的碳化硼和3 30重量份的碳纤维 组成。该复合防弹陶瓷材料的密度为2.30 2.48g/crm3;在18 25。C温度条件下 的维氏硬度为24 38GP"，弯曲强度为420 600M尸a，弹性模量为400~ 460G尸fl,断裂韧性为2.8 4.1M户a'w"2。一种制备具有低密度、高强度、高韧性的碳纤维增强碳化硼防弹陶瓷复合材料的 方法，其有如下制备步骤第一步增强体材料的准备先将增强体材料——碳纤维剪切至3 10mm ，然后放入高速粉碎机中粉碎l 5min后，制得0.1 l/wn长度的短纤维； 第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎1 5min后，制得粒 径30 150/zw的预混料； 第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中,在30 50M尸fl的压力条件下制得预 成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为1950 2000°C、压力为30 40M户fl、烧结 时间20 30min。实施例 1 : T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷复合防弹陶瓷材料由90重量份的碳化硼和10重量份的T700碳纤维组成。 第一步增强体材料的准备先将增强体材)f^——T700碳纤维剪切至10mm ,然后放入高速粉碎机(北京市 永光明医疗仪器厂生产的FW-135型粉碎机)中粉碎3min后，制得95%以上T700 碳纤维长度在0.6mm为佳，即得到短纤维；第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎3min后，制得粒径 50 80//m的预混料；第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中，在50M尸fl的压力条件下制得预成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉(上海晨华电炉有限公司生产的 ZT-40-20Y型真空热压炉)内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得 防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为1990"C、压力为30MP"、烧结时间30min。 将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用S5800扫描电子显微镜观察其形貌，如图2所示，短切T700碳纤维随机均匀分布在碳化硼基体中。 将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用排水法测得密度为2.43g/cm3 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用GB/T 6569 — 2006，精细陶瓷弯曲强度试验方法，在25。C温度条件下测得的三点弯曲强度为 580M尸"。弯曲强度测试的载荷一位移曲线如图l所示，图中虚线为T700碳纤维 增强碳化硼的防弹陶瓷，实线为相同工艺条件下制备的碳化硼陶瓷。T700碳纤维增 强碳化硼的防弹陶瓷强度有明显提高。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 10700 — 2006，精细陶瓷弹性模量试验方法一弯曲法，在25"C温度条件下的弹性模量为 450G尸a 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷利用单边切口梁法测得 在25。C温度条件下的断裂韧性为4.0M尸fl.m"2 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 16534 — 1996，工程陶瓷维氏硬度试验方法，在25匸温度条件下的维氏硬度为36G尸a。 实施例2 : T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷复合防弹陶瓷材料由70重量份的碳化硼和30重量份的T700碳纤维组成。第一步增强体材料的准备先将增强体材料——T700碳纤维剪切至5wm,然后放入高速粉碎机中粉碎 5min后，制得95。/。以上T700碳纤维长度在0.4/ww为佳，即得到短纤维； 第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎5min后，制得粒径 30 40//w的预混料；第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中，在35M&的压力条件下制得预成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为199(TC、压力为35M尸"、烧结时间20min。 将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用排水法测得密度为2.30g/on3 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 6569-2006，精细陶瓷弯曲强度试验方法，在25"温度条件下测得的三点弯曲强度为 420 M尸a 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 10700 — 2006,精细陶瓷弹性模量试验方法一弯曲法，在25。C温度条件下的弹性模量为 405 G尸a 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷利用单边切口梁法测得 在25'C温度条件下的断裂韧性为2.8MPflw"2 。将上述制得的含有T700碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 16534 — 1996，工程陶瓷维氏硬度试验方法，在25"C温度条件下的维氏硬度为26GP"。 实施例3 :M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷复合防弹陶瓷材料由85重量份的碳化硼和15重量份的M40碳纤维组成。第一步增强体材料的准备先将增强体材料一一M40碳纤维剪切至3m/n,然后放入高速粉碎机中粉碎 2min后，制得98。/o以上M40碳纤维长度在0.5mm为佳，即得到短纤维；第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎2min后，制得粒径 80 的预混料；第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中，在30M户fl的压力条件下制得预成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为2000。C、压力为30M/^、烧结时间20min。 将上述制得的含有M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用排水法测得密度为2.40g/cw3 。将上述制得的含有M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用GB/T 6569 — 2006，精细陶瓷弯曲强度试验方法，在25t温度条件下测得的三点弯曲强度为 500 MPa 。将上述制得的含有M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用GB/T 10700 — 2006,精细陶瓷弹性模量试验方法一弯曲法，在25"温度条件下的弹性模量为 430G尸fl。将上述制得的含有M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷利用单边切口梁法测得在 25"C温度条件下的断裂韧性为3.2MPa/w1/2。将上述制得的含有M40碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用GB/T 16534 — 1996,工程陶瓷维氏硬度试验方法，在25"温度条件下的维氏硬度为30Gi^。 实施例4 : M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷复合防弹陶瓷材料由93重量份的碳化硼和7重量份的M55J碳纤维组成。第一步增强体材料的准备先将增强体材)N——M55J碳纤维剪切至10mm,然后放入高速粉碎机中粉碎 3 min后，制得95%以上M55J碳纤维长度在0.5 /ww为佳，即得到短纤维； 第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎3min后，制得粒径 30 60〃/n的预混料；第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中，在50MAi的压力条件下制得预成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为1950°C、压力为40A/尸fl、烧结时间30min。 将上述制得的含有M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用排水法测得密度为2.46g/cw3。将上述制得的含有M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 6569 — 2006，精细陶瓷弯曲强度试验方法，在25X:温度条件下测得的三点弯曲强度为 530M尸"将上述制得的含有M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷釆用GB/T 10700-2006,精细陶瓷弹性模量试验方法一弯曲法，在25C温度条件下的弹性模量为 430G尸a。将上述制得的含有M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷利用单边切口梁法测得 在25。C温度条件下的断裂韧性为3.5M尸a.w"2 。将上述制得的含有M55J碳纤维增强碳化硼的防弹陶瓷采用GB/T 16534-1996,工程陶瓷维氏硬度试验方法，在25。C温度条件下的维氏硬度为35G尸flf。
权利要求
1、一种复合防弹陶瓷材料，包括有碳化硼，其特征在于还有碳纤维，其中碳化硼含有70～97重量份，碳纤维含有3～30重量份。
2、 根据权利要求1所述的复合防弹陶瓷材料，其特征在于碳纤维是T700碳纤维、 M40碳纤维或者M55J碳纤维。
3、 根据权利要求1所述的复合防弹陶瓷材料，其特征在于该复合防弹陶瓷材料的 密度为2.30 2.48g/cm3 ;在18 25。C温度条件下的维氏硬度为24 38G尸a , 弯曲强度为420 600M尸fl，弹性模量为400 460G户a，断裂韧性为2.8 4.1M^'w1/2。
4、 一种制备如权利要求1所述的复合防弹陶瓷材料的方法，其特征在于包括有下列 步骤第一步增强体材料的准备先将增强体材料~一碳纤维剪切至3 10wm ，然后放入高速粉碎机中粉碎l 5min后，制得0.1 lmw长度的短纤维； 第二步粉碎制预混料将经第一步制得的短纤维与碳化硼放入高速粉碎机中粉碎1 5min后，制得粒 径30 150/z/n的预混料； 第三步压制预成型体将经第二步制得的预混料放入钢制模具中，在30 50Afffl的压力条件下制得预 成型体；第四步热压烧结防弹陶瓷将经第三步制得的预成型体放入热压炉内，在氩气保护气氛中，调节热压烧结工艺参数，制得防弹陶瓷；热压烧结工艺参数烧结温度为1950 200(TC、压力为30 40M>a、烧结 时间20 30min。
全文摘要
本发明公开了一种复合防弹陶瓷材料，由70～97重量份的碳化硼和3～30重量份的碳纤维组成。该复合防弹陶瓷材料的密度为2.30～2.48g/cm<sup>3</sup>；在18～25℃温度条件下的维氏硬度为24～38GPa，弯曲强度为420～600MPa，弹性模量为400～460GPa，断裂韧性为2.8～4.1MPa·m<sup>1/2</sup>。本发明复合防弹陶瓷材料中由于添加了碳纤维，使得碳化硼陶瓷的防弹性能，当其用作装甲时，可有效减轻装甲重量。
文档编号C04B35/80GK101234901SQ20071017917
公开日2008年8月6日 申请日期2007年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者孙志杰, 张佐光, 敏 李, 王明超, 顾轶卓 申请人:北京航空航天大学