本发明涉及一种大厚度碳化硅抗弹陶瓷及其制备方法，属于装甲防护领域。
(二)
背景技术：
碳化硅陶瓷具有高硬度、相对低的密度、优异的抗弹性能和高的性价比等特点，使其成为当代最具发展潜力的一种抗弹陶瓷材料。
关于碳化硅抗弹陶瓷已有许多专利和文献报导。中国专利文件CN101948312A公开了一种碳化硅抗弹陶瓷，原料组分的质量百分数为：碳化硅粉末占40％～50％、纳米碳黑占8％～12％、酚醛树脂占3％～10％、硅占38％～45％。中国专利文件CN103508734A提供一种抗弹碳化硼/碳化硅复合陶瓷制备方法，在研钵中将碳化硅粉末、碳化硼粉末、纳米碳黑混合，将酚醛树脂用酒精溶解，加入到研钵中，球磨混匀，将混匀的粉料加入塑性剂制成团粒，然后模压成型，制成生坯，再烘干、固化，渗硅反应烧结，制备的抗弹材料，具有密度小，抗弹性能好等优点。中国专利文件CN102259378A公开了“一种陶瓷抗弹板的制备方法”，该技术通过负压成型工艺，用溶剂型胶粘剂将氧化铝、碳化硅、碳化硼抗弹陶瓷片与芳纶纤维、高强度聚乙烯纤维的机织布或UD布的层压板粘结在一起，然后在特制的模具内模压定型。用于防护弹速在700m/s以上的轻武器发射的高穿透力的子弹。中国专利文件CN1552667A介绍了碳化物陶瓷抗弹板材料及其陶瓷抗弹板的制备方法，该专利中碳化硅与碳化硼占70-92，Al-Y系添加剂5.5-25，经过混料、冷压成型，在真空炉中1750-2050℃下保温240-480分钟，充氩气烧结。与相同厚度8mm无压烧结碳化硅、无压烧结碳化硼抗弹板在相同弹型和设计速度下的弹道质量效率。中国专利文件CN105601280A，介绍了“一种低成本轻质高抗弹性能B4C/SiC复合抗弹陶瓷板及制备方法”，抗弹板的组成为：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16％，聚乙烯醇10％-12％。采用碳化硅造粒粉作为制备原料液压成型多弧面抗弹板坯体，干燥、排胶，在真空炉中与1530-1760℃，保温30-180min的烧成制度下反应烧结制备低成本轻质高抗弹性能的B4C/SiC复合抗弹陶瓷。
魏汝斌等(兵器材料科学与工程，“碳化硅抗弹陶瓷的研究进展及在装甲防护领域的应用”，2014,37，(6)145-148)介绍了碳化硅抗弹陶瓷的结构与性能，论述其制备技术的研究进展，分析碳化硅陶瓷在装甲防护领域的应用现状，指出：碳化硅陶瓷以优异的力学性能和性价比成为最有应用前途的抗弹陶瓷材料之一，在单兵装备、陆军装甲武器平台、武装直升机平台、警、民用特种车辆等诸多装甲防护领域中的应用趋于多元化，碳化硅陶瓷在装甲防护领域的应用具有广阔的发展空间。Che-Yuan Liu等(Ceramics International39(2013)8253–8259)介绍了液相烧结碳化硅陶瓷抗弹性能，在1870℃通过添加氧化铝和氧化钇做烧结助剂得到的陶瓷能够通过美国军标IV级防护靶试。不过,文章介绍其单向压制生坯尺寸是58×58×11.5mm。Ian Gcrouch等(Ceramics International 41(2015)11581–11591)介绍了在反应烧结碳化硅装甲材料制造缺陷的特点、意义和检测。认为制备过程中产生的缺陷对抗弹性能有很大的影响。
目前所报导的碳化硅抗弹陶瓷主要是无压烧结和反应烧结碳化硅产品。
无压烧结碳化硅是采用中位径0.5微米以下的粉体，添加少量烧结助剂，在2100℃以上的温度下烧结。由于烧结过程中传热主要依靠辐射进行，当采用无压烧结工艺烧制大厚度产品时，坯体受热从表层往内部进行，往往出现内部生烧或者表层过烧现象。在升温速度较快的情况下，也容易出现裂纹。所以，无压烧结工艺不是烧制大厚度产品的理想方法。
碳化硅反应烧结是将碳化硅粉体与炭黑、石墨，加入适当树脂，混合，形成坯体。在真空烧结炉中，通过与坯体接触的硅在1400℃以上变为液体和气体渗透到坯体中，与炭黑和石墨反应形成新的碳化硅，将原来的碳化硅颗粒结合起来，形成致密的烧结体。反应烧结碳化硅抗弹陶瓷制备成本低，但是，性能与无压烧结碳化硅比较有一定差距。另一方面，由于在烧结过程中硅渗透到坯体中参与反应，对于大厚度产品，表面渗透比内部容易的多，容易产生芯部与表面性能不一致。所以，对于厚度大的制品该烧结方法是不适合的。
碳化硅的热压烧结是将碳化硅粉体(或者加入少量烧结助剂)置于石墨或C/C复合模具中，边加热边加压的烧结工艺。与反应烧结和无压烧结的碳化硅产品比较，热压烧结碳化硅产品性能最好，在达到相同密度情况下热压烧结的温度要低200℃左右。但是对于大厚度陶瓷样品，传统的热压烧结工艺也存在着产品芯部和表层性能差异大等问题。
到目前为止，未见有厚度大于40mm碳化硅陶瓷抗弹性能及应用的相关报道。
(三)
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，通过工艺改进，解决大厚度产品芯部和表层性能差异大的技术问题，提供一种大厚度碳化硅抗弹陶瓷及其制备方法。
本发明技术方案如下：
发明概述：
本发明采用等静压预压成型、然后进行热压的烧结工艺制备大厚度抗弹陶瓷，解决芯部与表层性能差异大的难题。
发明详述：
一种大厚度碳化硅抗弹陶瓷，以碳化硅为基体，碳化硼为增强相，树脂为结合剂，以原料总质量百分比计，碳化硅的添加量为60-85wt.％，碳化硼的添加量为5～25wt.％，树脂5-20wt.％，经等静压预压成型和热压烧结，得到大厚度碳化硅抗弹陶瓷。
根据本发明优选的，所述的大厚度碳化硅抗弹陶瓷包括如下质量百分比的原料组分：碳化硅65-85wt.％，碳化硼10-25wt.％，树脂5-15wt.％，各组分质量百分之和为100％。
根据本发明优选的，所述的碳化硅为平均粒径0.5-5μm的碳化硅粉。
根据本发明优选的，所述的碳化硼为平均粒径0.5-5μm的碳化硼粉。
根据本发明优选的，所述的大厚度碳化硅抗弹陶瓷的厚度为40-60mm。
根据本发明，上述大厚度碳化硅抗弹陶瓷的制备方法，包括步骤如下：
(1)原料混合
按比例称取碳化硅、碳化硼和树脂，常温下混合15-45分钟，使各组分均匀混合，得混合粉末；
(2)烘干
将步骤(1)制得的混合粉末于温度60-150℃真空保温12-36小时，使混合粉末脱水固化，使各组分再次混合；
(3)破碎混合
将步骤(2)烘干后的样品，粉碎搅拌混合均匀，使各组分再次混合，制得粉碎后物料；
(4)等静压预压成型
将步骤(3)制备的粉体利用单向干压成型，在20MPa压力下预压成抗弹板坯体；然后利用等静压压制坯体，压力为200-260MPa，保压时间为2-10分钟；
(5)脱脂
将步骤(4)制备的抗弹板生坯进行脱脂处理，脱脂温度为400-800℃，保温时间为1-6小时；以保证坯体不产生缺陷或应力；
(6)烧结
将步骤(5)制得的坯体置于热压烧结炉中，在1800-2200℃下保温1-4小时，加压压力为10-30MPa，制得大厚度的碳化硅抗弹陶瓷。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述的烘干温度为80-120℃，保温时间为16-24小时。
根据本发明优选的，步骤(4)中所述的等静压压力为220-240MPa，保压时间为下4-8分钟。
根据本发明优选的，步骤(5)中所述的脱脂温度为500-700℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间为下2-4小时。
根据本发明优选的，步骤(6)中所述的热压烧结温度为1900-2200℃，加压压力为15-20MPa，保温时间为下2-3小时。
有益效果
1、本发明在粉体制备过程以及配方组成中加入少量的树脂材料作为结合剂和有效活化烧结成分，并在烧结前进行脱脂处理，保证了坯体中不产生缺陷或应力；
2、本发明采用等静压预压成型，提高样品生坯密度、然后利用热压烧结工艺制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷，解决芯部与表层性能差异大的难题。
(四)具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。
实施例中所用原料均为常规原料，所用设备均为常规设备，市购产品。
实施例1：
一种热压制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷的方法，所述的陶瓷包括如下质量百分比的原料组分：碳化硅75wt.％，碳化硼15wt.％，树脂10wt.％，各组分质量百分之和为100％。
包括步骤如下：
(1)原料混合
按比例称取碳化硅、碳化硼、烧结助剂和树脂，常温下混合30分钟，使各组分均匀混合，得混合粉末；
(2)烘干
将步骤(1)制得的混合粉末于温度100℃真空保温24小时，使混合粉末脱水固化，使各组分再次混合；
(3)破碎混合
将步骤(2)烘干后的样品，粉碎搅拌混合均匀，使各组分再次混合，制得粉碎后物料；
(4)等静压预压成型
将步骤(3)制备的粉体利用单向干压成型，在20MPa压力下预压成抗弹板坯体。然后利用等静压压制坯体，压力为240MPa，保压时间为5分钟。
(5)脱脂
将步骤(4)制备的抗弹板生坯进行脱脂处理，脱脂温度为600℃，保温时间为4小时。以保证坯体不产生缺陷或应力存在。
(6)烧结
将步骤(5)制得的坯体置于热压烧结炉中，在2000℃下保温2小时，加压压力为15MPa，制得厚度为40mm的碳化硅抗弹板。
实施例2：
一种热压制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷的方法，所述的陶瓷包括如下质量百分比的原料组分：碳化硅80wt.％，碳化硼10wt.％，树脂10wt.％，各组分质量百分之和为100％。
包括步骤如下：
(1)原料混合
按比例称取碳化硅、碳化硼、烧结助剂和树脂，常温下混合30分钟，使各组分均匀混合，得混合粉末；
(2)烘干
将步骤(1)制得的混合粉末于温度120℃真空保温24小时，使混合粉末脱水固化，使各组分再次混合；
(3)破碎混合
将步骤(2)烘干后的样品，粉碎搅拌混合均匀，使各组分再次混合，制得粉碎后物料；
(4)等静压预压成型
将步骤(3)制备的粉体利用等静压技术，在20MPa压力下预压成抗弹板坯体。然后利用等静压压制坯体，压力为240MPa，保压时间为5分钟。
(5)脱脂
将步骤(4)制备的抗弹板生坯进行脱脂处理，脱脂温度为700℃，保温时间为2小时。以保证坯体不产生缺陷或应力。
(6)烧结
将步骤(5)制得的坯体置于热压烧结炉中，在1900℃下保温2小时，加压压力为20MPa，制得厚度为45mm的碳化硅抗弹板。
实施例3：
一种热压制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷的方法，所述的陶瓷包括如下质量百分比的原料组分：碳化硅85wt.％，碳化硼10wt.％，树脂5wt.％，各组分质量百分之和为100％。
包括步骤如下：
(1)原料混合
按比例称取碳化硅、碳化硼、烧结助剂和树脂，常温下混合30分钟，使各组分均匀混合，得混合粉末；
(2)烘干
将步骤(1)制得的混合粉末于温度80℃真空保温24小时，使混合粉末脱水固化，使各组分再次混合；
(3)破碎混合
将步骤(2)烘干后的样品，粉碎搅拌混合均匀，使各组分再次混合，制得粉碎后物料；
(4)等静压预压成型
将步骤(3)制备的粉体利用单向干压成型，在20MPa压力下预压成抗弹板坯体。然后利用等静压压制坯体，压力为200MPa，保压时间为5分钟。
(5)脱脂
将步骤(4)制备的抗弹板生坯进行脱脂处理，脱脂温度为800℃，保温时间为4小时。以保证坯体不产生缺陷或应力。
(6)烧结
将步骤(5)制得的坯体置于热压烧结炉中，在2100℃下保温2小时，加压压力为10MPa，制得厚度为50mm的碳化硅抗弹板。
实施例4：
一种热压制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷的方法，所述的陶瓷包括如下质量百分比的原料组分：碳化硅65wt.％，碳化硼25wt.％，树脂10wt.％，各组分质量百分之和为100％。
包括步骤如下：
(1)原料混合
按比例称取碳化硅、碳化硼、烧结助剂和树脂，常温下混合30分钟，使各组分均匀混合，得混合粉末；
(2)烘干
将步骤(1)制得的混合粉末于温度100℃真空保温24小时，使混合粉末脱水固化，使各组分再次混合；
(3)破碎混合
将步骤(2)烘干后的样品，粉碎搅拌混合均匀，使各组分再次混合，得粉碎后物料；
(4)等静压预压成型
将步骤(3)制备的粉体利用单向干压成型，在20MPa压力下预压成抗弹板坯体。然后利用等静压压制坯体，压力为260MPa，保压时间为5分钟。
(5)脱脂
将步骤(4)制备的抗弹板生坯进行脱脂处理，脱脂温度为600℃，保温时间为6小时。以保证坯体不产生缺陷或应力。
(6)烧结
将步骤(5)制得的坯体置于热压烧结炉中，在2200℃下保温2小时，加压压力为10MPa，制得厚度为55mm的碳化硅抗弹板。
对比例1：
如实施例1所述，不同的是：
烧结之前不进行脱脂处理。
对比例2：
如实施例1所述，不同的是：
生坯未进行等静压处理。
试验例1：
测试实施例1-4和对比例1-2得到的碳化硅抗弹板的密度、强度防弹等级等性能，结果如表1所示。
表1
本发明实施例1-4制备的大厚度碳化硅抗弹陶瓷与对比例1-2相比，密度更高，强度和韧性更大，同时实施例1-4制备的大厚度抗弹板的芯部和表层密度相近，说明通过在烧结前进行脱脂处理，并对生坯进行等静压处理能够减小坯体中缺陷或应力，解决了制备大厚度碳化硅抗弹陶瓷芯部与表层性能差异大的难题。