一种碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、军事、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中应用广泛，但碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，碳化硅的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品是研究者一直关心的课题。
[0003]无压烧结可使碳化硅陶瓷在2000°C以上实现固相烧结，但是工件会产生较大的收缩变形，对于大面积、形状不规则的制品，无压烧结会导致工件的不规则收缩，引起形状畸变。因而，现有技术中，市面上的厂家为避免形状畸变，采用无压烧结工艺制备边长为3?I Ocm的六边形或正方形的碳化硅平面小块，拼接在聚乙烯材料制成的背板上复合成为防弹板。由于碳化硅块之间、碳化硅块与背板之间都不可避免地存在缝隙，严重影响防弹板的防弹性能；同时由于碳化硅小块为平面，只能拼接出平缓的近似曲面，复合出的防弹板使用舒适性较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制备方法与应用，本发明采用冷等静压成型方法，得到各点密度均匀的碳化硼/碳化硅素坯，烧结时素坯按比例均匀收缩，完整地保留了素坯的原曲面，使无压烧结工艺可用于制备大面积、形状复杂的碳化硼/碳化硅工件。
[0005]本发明提供的一种碳化硼/碳化硅陶瓷整板的制备方法，包括如下步骤:
[0006](I)将碳化硼粉、碳化硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂和水混合后进行球磨制浆，得浆料；
[0007](2)采用喷雾造粒干燥工艺将步骤(I)制得的浆料干燥造粒，得造粒料；
[0008](3)采用冷等静压成型工艺将步骤(2)制得的造粒料压制成型，得素坯；
[0009](4)将步骤(3)制得的素坯进行无压烧结，冷却后即可得到所述陶瓷整板。
[0010]上述的制备方法中，步骤(I)中，以重量份数计，各原料的质量份数如下:
[0011]碳化硼粉40?90份、碳化硅粉1300?1500份、碳粉20?80份、粘结剂6?8份、分散剂8?10份；
[0012]以重量份数计，各原料的质量份数具体可为下述1)-5)中的任一种:
[0013]I)碳化硼粉40?80份、碳化硅粉1300?1350份、碳粉50?80份、粘结剂6?8份、分散剂8?10份；
[0014]2)碳化硼粉80?90份、碳化硅粉1300?1500份、碳粉20?80份、粘结剂6?8份、分散剂8?10份；
[0015]3)碳化硼粉90份、碳化硅粉1500份、碳粉20份、粘结剂8份、分散剂10份；
[0016]4)碳化硼粉80份、碳化硅粉1300份、碳粉80份、粘结剂6份、分散剂8份；
[0017]5)碳化硼粉40份、碳化硅粉1350份、碳粉50份、粘结剂8份、分散剂10份。
[0018]水的加入量控制在所述浆料中的固含量可为45?70%，具体可为47%?50%、47%?48%、48%?50%、47%、48%或50% ；
[0019]所述浆料的pH值可为 7.0?11.0，如10.0、10.1、10.3。
[0020]上述的制备方法中，步骤(I)中，所述碳化硼粉中B4C的质量百分含量可大于等于99.9% (如99.9%)，中位径(一个样品的累积粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径)小于 1.0ym，$n0.5?0.7ym、0.5ymS0.7ym;
[0021]所述碳化硅粉中SiC的质量百分含量可大于等于99%(如99.1%)，其中α-SiC的质量百分含量为5?20 % (如7.3 % )，所述碳化硅粉的中位粒径小于5.0ym，具体可为0.4?0.5μπι、0.4μηι 或 0.5μηι；
[0022]所述碳粉可为石墨粉、炭黑(如气糟法炭黑)、焦炭、石油焦或有机转换碳，碳粉中C的质量百分含量大于等于99%，最大粒径小于ΙΟμπι，具体可为2?5μηι、2μηι或5μηι;
[0023]所述粘接剂可为糊精、聚乙烯醇(PVA)和葡萄糖中的至少一种；
[0024]所述分散剂可为四甲基氢氧化铵、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和氨水中的至少一种。
[0025]上述的制备方法中，步骤(I)中，所述球磨的方法如下:采用的介质球可为碳化硅陶瓷球或碳化硼陶瓷球，球径可为5?1mm(如1mm)，球料比可为(1.2?3): 1(如1.5:1)，球磨混料时间可为20?50小时(如40小时)，球磨机转速可为30?200转/分钟，如150转/分钟。
[0026]上述的制备方法中，步骤(2)中，所述喷雾造粒干燥工艺可采用喷雾干燥造粒机或离心干燥造粒机，所述喷雾干燥造粒机的压力可为0.01?0.5MPa(如0.3MPa);所述离心干燥造粒机的离心转盘转速可为1000?20000转/分钟(如5000转/分钟)；干燥造粒时的进口温度可为180?280°C (230°C)、出口温度可为100?150°C (如120°C)。
[0027]上述的制备方法，步骤(3)中，所述冷等静压成型工艺条件控制如下:250?300MPa时保压10?20s，100?150MPa时保压10?20s，250?300MPa时保压10?20s，10MPa时保压20s ；
[0028]所述冷等静压成型工艺条件具体可为下述1)-6)中的任一种:
[0029]1)250?30010^时保压15?208，100?15010^时保压15?208，250?28010^时保压15 ?20s，10MPa 时保压 20s ；
[0030]2)250 ?260MPa 时保压 208，100?15010^时保压158，250?28010^时保压208，I OOMPa 时保压 20s;
[0031]3)260 ?300MPa 时保压 15 ?208，125?15010^时保压15?208，28010^时保压15?20s，I OOMPa 时保压 20s;
[0032]4)30010^时保压158，12510^时保压208，28010^时保压158，I OOMPa 时保压 20s ；
[0033]5)260MPa 时保压 20s，150MPa 时保压 15s，280MPa 时保压 20s，I OOMPa 时保压 20s ；
[0034]6)250MPa 时保压 20s，10010^时保压158，25010^时保压208，I OOMPa 时保压 20s。
[0035]上述的制备方法，步骤(4)中，所述无压烧结可在气压可为10?500Pa的真空条件(具体可为 200 ?300Pa、200Pa ?250Pa、250 ?300Pa、200Pa、250Pa 或 300Pa)或通入惰性保护气体(大气压压力)的条件下进行，温度可为1850°C?2250°C，具体可为2050?2100°C、2050°(3或2100°(3，保温时间可为2.5?3.5h，具体可为2.5h或3.5h。
[0036]上述的制备方法，步骤(2)中，所述压制成型的形状如下:以所述陶瓷整板的中心为原点，所述陶瓷整板的长度方向为X轴，宽度方向为y轴，所在平面的垂直方向为z轴;将X轴和y轴所在平面，沿X轴方向z轴同方向弯曲，形成弧形曲面，沿y轴方向也向z轴的该方向弯曲，形成弧形曲面。
[0037]由上述的制备方法制备得到的碳化硼/碳化硅陶瓷整板，也在本发明的保护范围内。
[0038]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板中，以所述陶瓷整板可为多曲面陶瓷整板。
[0039]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板中，所述多曲面陶瓷整板的形状具体可如下:
[0040]以所述陶瓷整板的中心为原点，所述陶瓷整板的长度方向为X轴，宽度方向为y轴，所在平面的垂直方向为z轴;将X轴和y轴所在平面，沿X轴方向向z轴方向弯曲，形成弧形曲面，沿y轴方向也向z轴的该方向弯曲，形成弧形曲面。
[0041 ]所述多曲面陶瓷整板模拟人体曲线，贴合和舒适性好。
[0042]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板在制备或作为防弹板中的应用，也在本发明的保护范围内。
[0043]本发明具有如下有益效果:
[0044]1、本发明采用冷等静压成型方法，通过反复试验确定各阶段的保压压力和保压时间，得到各点密度均匀的碳化硼/碳化硅素坯，烧结时素坯按比例均匀收缩，完整地保留了素坯的原曲面，使无压烧结工艺可用于制备大面积、形状复杂的碳化硼/碳化硅工件。
[0045]2、本发明制备的无压烧结多曲面碳化硼/碳化硅陶瓷整板，密度达到3.15g/cm3，致密度达到98%，抗弯强度达到350MPa，断裂韧性达到3.5MPa.，维氏硬度达到26GPa，与小块拼接防弹板相比，防弹性能显著提高。
[0046]3、本发明陶瓷整板为多曲面陶瓷整板，模拟人体曲线，可用作防弹板，舒适性好。
【附图说明】
[0047]图1为实施例1-实施例3中制备得到的多曲面碳化硼/碳化硅陶瓷整板的俯视图和侧视图。
【具体实施方式】
[0048]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0049]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0050]下述实施例中碳化硼粉中B4C的质量百分含量为99.9%;碳化硅粉中SiC的质量百分含量为99.1%，其中α-SiC含量为7.3wt%。
[0051 ] 焦炭、石墨粉、炭黑中C的质量百分含量分别为99.0%、99.3%或99.1%。
[0052]实施例1、制备多曲面