专利名称：碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种低密度碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法，属于防护材料技术领域。
背景技术：
为了保障在现代战争中航空飞行器驾乘人员的安全，在航空飞行器的设计中需要高性能、低密度的陶瓷材料进行防护，另外为了保障在反恐、防暴等高危活动中作战人员的人身安全，轻质防弹陶瓷也成为制备高性能防弹衣的首选材料。
用于航空飞行器防护和防弹衣的最佳陶瓷材料是碳化硼(B4C)陶瓷。目前美国等先进国家已将碳化硼陶瓷防弹板用于直升机等飞行器的装备中。碳化硼陶瓷用作装甲防护材料需要在高温和高压下烧结。为了降低碳化硼的烧结温度，提高致密度，许多研究在碳化硼中添加了铝等金属铝、碳化钛、碳化钨、二硼化钛、氧化铝或稀土氧化物等，但是，这些技术都不同程度地降低了碳化硼陶瓷的硬度或提高了密度。邓建新等在2000～2150℃的高温下热压烧结制备了碳化硅晶须增强碳化硼的喷砂管，参见邓建新等，“B4C/SiCw陶瓷喷砂嘴的制备及其冲蚀磨损机理研究”，硅酸盐通报，2004，3，18～20。中国专利申请CN1552667公开了“碳化硼陶瓷防弹板材料及其陶瓷防弹板的制造方法”，该碳化硼陶瓷防弹板材料由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3组成，通过1750～2050℃氩气中保温240～480分钟烧结制备防弹板材料。中国专利申请CN1541981公开了“轻质碳化硼装甲陶瓷的制备方法”，该制备方法用溢流分选分级的碳化硼粉，通过造粒机造粒，采用单相无助剂热压烧结技术，在高温高压真空烧结炉中双向加压进行热压烧结制备了碳化硼装甲陶瓷。
目前在碳化硼防弹陶瓷制备中仍然存在烧结温度高、烧结时间长，不利于批量化生产和产品密度大的问题。
发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种低密度高硬度的碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法。
本发明以碳化硼为基体，通过添加硼化物和硅粉在烧结过程中形成六硼化硅(SiB6)以降低碳化硼陶瓷的烧结温度而不增加其密度；另一方面通过添加碳化硅晶须(SiCw)提高碳化硼陶瓷的强度、断裂韧性和弹性模量，制备一种低密度高硬度的碳化硼/六硼化硅/碳化硅晶须(B4C/SiB6/SiCw)复合防弹陶瓷。
本发明碳化硼基复合防弹陶瓷的组分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶须1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均为重量份。
上述碳化硼是碳化硼粉体，B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。
上述碳化硅(SiC)晶须直径0.1～1μm，长30～100μm，SiC含量＞95％。
所述的硅粉为d50＜3μm的工业纯硅粉。
所述的硼化物选自硼酸、硼矸或金属硼的一种。
本发明的复合防弹陶瓷制备方法，步骤如下1、按重量份，将碳化硼粉体85～95份、碳化硅晶须1～15份、硅粉2～15份和硼化物1～5份以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干。制备混合粉末。
2、将上述混合粉末加入到石墨模具中，层与层之间用石墨垫片和石墨纸隔开，混合粉末的装填量根据所需防弹陶瓷的厚度而定。
3、将上述装有粉料的模具放到热压炉内在以氢气、氮气或氩气为保护性气体的气氛中或真空中热压烧结，烧结温度为1700～2000℃，热压压力为30～40MPa，在最高温度下保温保压20～30分钟；自然冷却。
本发明通过添加硼化物和硅形成六硼化硅促进碳化硼的烧结，降低烧结温度，增加烧结体的致密度；通过添加碳化硅晶须提高碳化硼的强度和韧性；所制备的碳化硼基复合防弹陶瓷具有低密度、高硬度、高强度、高断裂韧性和高弹性模量的特点，其结晶相为碳化硼、六硼化硅和碳化硅。
本发明的碳化硼基复合防弹陶瓷的低密度、高硬度、高强度、高断裂韧性和高弹性模量特性是通过添加硼化物、硅和碳化硅晶须而实现的。与现有技术相比，本发明的复合防弹陶瓷具有低密度、高硬度、高强度和高弹性模量的特点，密度≤2.6g/cm3，维氏硬度Hv＞27GPa，压缩强度＞1.8GPa，弯曲强度＞400MPa，弹性模量＞300GPa，断裂韧性＞4.0MPa.m1/2。本发明的碳化硼基复合防弹陶瓷是用于航空飞行器防护和防弹衣的理想陶瓷材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1复合防弹陶瓷的组分如下碳化硼粉体88份，碳化硅晶须6份，硅粉5份，硼酸3份，均为重量份。所述碳化硼粉体的得B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。所述碳化硅(SiC)晶须直径0.1～1μm，长30～100μm，SiC含量＞95％。所述的硅粉为d50＜3μm的工业纯硅粉。
制备方法步骤如下1、按上述重量份，将碳化硼粉体、碳化硅晶须、硅粉和硼酸以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干。制备混合粉末。
2、将上述混合粉末分层加入到石墨模具中，层与层之间用石墨垫片和石墨纸隔开。
3、将上述装有粉料的模具放到热压炉中热压烧结，温度为1800℃，以氮气为保护性气体；热压压力为40MPa，保温保压30分钟；自然冷却。得厚度为1cm的复合防弹陶瓷。
所得产品性能如下密度2.5g/cm3，维氏硬度Hv 30GPa，压缩强度1.8GPa，弯曲强度500MPa，弹性模量350GPa，断裂韧性4.0MPa.m1/2。
实施例2如实施例1所述，所不同的是硼化物为硼矸。
实施例3复合防弹陶瓷的组分如下碳化硼粉体95份，碳化硅晶须15份，硅粉5份，金属硼2份，均为重量份。
制备方法步骤如下1、按上述重量份，将碳化硼粉体、碳化硅晶须、硅粉和金属硼以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干。制备混合粉末。
2、将上述混合粉末加入到石墨模具中，层与层之间用石墨垫片和石墨纸隔开。
3、将上述装有粉料的模具放到热压炉中热压烧结，温度为1900℃，以氩气为保护性气体；热压压力为30MPa，保温保压30分钟；自然冷却。得厚度为0.5cm的复合防弹陶瓷。
所得产品性能如下密度2.55g/cm3，维氏硬度Hv 33GPa，压缩强度1.8GPa，弯曲强度560MPa，弹性模量380GPa，断裂韧性5.0MPa.m1/2。
实施例4如实施例1所述，所不同的是制备方法中步骤3热压烧结温度为1800℃，以氢气为保护性气体；热压压力为40MPa，在最高温度时保温保压20分钟；自然冷却。得厚度为1.2cm的复合防弹陶瓷。
权利要求
1.复合防弹陶瓷，其特征在于组分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶须1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均为重量份。
2.如权利要求1所述的复合防弹陶瓷，其特征在于所述碳化硼是碳化硼粉体，B4C含量＞98％，d50＜3.5μm。
3.如权利要求1所述的复合防弹陶瓷，其特征在于所述碳化硅晶须直径0.1～1μm，长径比为30～100，SiC含量＞95％。
4.如权利要求1所述的复合防弹陶瓷，其特征在于所述的硅粉为d50＜3μm的工业纯硅粉。
5.如权利要求1所述的复合防弹陶瓷，其特征在于所述的硼化物选自硼酸、硼矸或金属硼的一种。
6.权利要求1所述的复合防弹陶瓷的制备方法，步骤如下(1)按重量份，将碳化硼粉体85～95份、碳化硅晶须1～15份、硅粉2～15份和硼化物1～5份以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，制备混合粉末；(2)将上述混合粉末加入到石墨模具中，层与层之间用石墨垫片和石墨纸隔开，混合粉末的装填量根据所需防弹陶瓷的厚度而定；(3)将上述装有粉料的模具放到热压炉中热压烧结，烧结温度为1700～2000℃，以氢气、氮气或氩气为保护性气体；热压压力为30～40MPa，保温保压20～30分钟；自然冷却。
全文摘要
碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法，属于防护材料技术领域。组分如下碳化硼85～95份，碳化硅晶须1～15份，硅粉2～15份，硼化物1～5份，均为重量份。将碳化硼粉体、碳化硅晶须、硅粉和硼化物以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，制备混合粉末；加入到石墨模具中，层与层之间用石墨垫片和石墨纸隔开，热压烧结，温度为1700～2000℃，压力为30～40MPa。本发明的复合防弹陶瓷具有低密度、高硬度、高强度和高弹性模量的特点，是用于航空飞行器防护和防弹衣的理想陶瓷材料。
文档编号C04B35/622GK1803714SQ20061004204
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月18日 优先权日2006年1月18日
发明者张玉军, 谭砂砾, 张卫珂, 张兰 申请人:山东大学