一种ZrB2-SiC增韧B4C防弹片的制备方法

一种zrb2
‑
sic增韧b4c防弹片的制备方法
技术领域
1.本发明属于防弹装甲制造领域技术领域，具体而言，涉及一种zrb2‑
sic增韧b4c防弹片的制备方法。


背景技术：

2.防弹陶瓷材料（al2o3、sic、b4c等）相对于传统金属材料具有低密度、高硬度、高强度、高弹性模量等性能，且在生产方面绿色、节能，因此近年来备受追捧。与al2o3、sic防弹陶瓷相比，碳化硼陶瓷具有硬度更高、密度更小、抗冲击力更强等优点，因而在高温结构材料、轻质人员和车辆防弹装甲材料等领域应用前景更为广阔。然而b4c共价键含量高导致烧结困难且韧性较差从而限制其广泛应用。
3.目前，制备高性能b4c复合材料的常用方法是直接添加sic、zrb2、tib2、tic等第二相或添加能够降低b4c烧结温度并诱导产生烧结助剂用于提高b4c致密度、强度以及韧性，然而会不可避免地引入低强度相。如sung min so等人研究采用热压烧结制备b4c
‑
sic复合材料，当b4c和sic均匀分散在复合材料中时，抑制晶粒生长，获得晶粒细小均匀、高强度的烧结体，但增韧效果不足。现有的b4c基复合材料直接以第二相为添加剂，不能显著降低烧结温度，明显提升材料的机械性能。
4.因此，如何提供一种烧结方法使得生成的zrb2和sic增韧相均匀分布在b4c基体中，与b4c具有良好的结合性，能够提升b4c防弹陶瓷材料韧性，且能降低烧结温度是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明正是基于上述技术问题，本发明旨在提供一种原位反应烧结生成zrb2和sic增强增韧b4c防弹片复合陶瓷的方法，该复合材料物相纯度高，组元分布均匀，在确保b4c陶瓷低密度的同时，提高b4c复合材料的抗弯强度、断裂韧性，降低烧结温度。
6.有鉴于此，本发明提出了一种包含zrb2‑
sic的b4c防弹片包含体积分数为b4c 60
‑
90%和体积分数为zrb2‑
sic 10
‑
40%。
7.根据本发明的第二方面，提出了制备包含zrb2‑
sic的b4c防弹片的方法，包括以下步骤：（1）将摩尔比为2:1:3的zrsi2粉、b4c粉和c粉的粉体与按体积配比的b4c粉混合，球磨后得到悬浊液；（2）将悬浊液40
‑
55℃，干燥0.5
‑
1h后研磨，过筛，得到待烧粉体；（3）将待烧粉体置于石墨模具内，烧结气氛内1700
‑
2000 ℃，20
‑
60 mpa，进行热压烧结；并保温1
‑
3 h；（4）随炉冷却，将陶瓷样品与模具取出分离即可。
8.本发明反应方程式 2zrsi
2 +b4c+3c=2zrb2+4sic。
9.优选的，步骤（2）中热压烧结温度1900 o
c，保温时间60 min。
10.根据本发明的一个实施例，b4c粉纯度99.9%，粒径为0.5 μm；zrb2粉纯度99.5%，粒径为1
‑
2 μm；c粉纯度99.5%，粒径为30 nm。
11.优选的b4c粒度选用0.5 μm级，b4c粉含量70%、zrb2‑
sic含量为30%。
12.根据本发明的一个实施例，步骤（1）中球磨过程为：步骤（1）中球磨过程为：将混合粉料放进聚四氟乙烯罐中，加入无水乙醇，用球磨氧化锆球，采用滚筒球磨机球磨混合成悬浊液；球料质量比为1：1。
13.根据本发明的一个实施例，球磨转速为60
‑
120 r/min，时间为12
‑
24h。
14.优选的，步骤（1）中球磨混料时间为24 h，球磨机转速为100 r/min。
15.根据本发明的一个实施例，步骤（2）中悬浊液干燥后过200目筛。
16.本发明球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，随后采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用。
17.根据本发明的一个实施例，步骤（3）中热压烧结工艺参数如下：烧结气氛为氩气；升温速率：室温
‑
1000 ℃为10 ℃/min；1000 ℃
‑
1600 ℃，为8 ℃/min；1600 ℃
‑
2000 ℃为5 ℃/min。
18.通过以上技术方案，本发明提出了一种原位反应生成zrb2‑
sic增韧b4c防弹片的制备方法，具有如下技术效果：（1）本发明采用zrsi2粉、b4c粉和c粉为添加剂原料，原位反应烧结生成b4c
‑
zrb2‑
sic 复合材料，与直接采用第二相陶瓷添加剂与b4c粉体混合的方法相比，原位反应生成的zrb2和sic晶粒更加细小，分布更加均匀，与b4c晶界结合更加紧密，生成的zrb2和sic晶粒形貌多为棒状或者板条状，能够有效提升b4c韧性。本发明制备的b4c
‑
zrb2‑
sic复合陶瓷，弯曲强度350
‑
500 mpa，维氏硬度17
‑
25 gpa，断裂韧性3.5
‑
5.5 mpa
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;（2）本发明提供的一种原位反应生成zrb2
‑
sic增韧b4c防弹片的制备方法，重复性好，步骤简单，易于实现。
附图说明
19.图1是本发明实施例1
‑
5所制备的b4c
‑
zrb2‑
sic复合材料xrd；图2是实施例5中采用体积分数为70% b4c、30%（2zrsi
2 +b4c+3c）配方制备的b4c
‑
zrb2‑
sic烧结体断口sem。
具体实施方式
20.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
22.本发明实施例所用的b4c粉购于郑州嵩山硼业科技有限公司，其平均粒径0.5 μm，纯度99.9%。所用的zrsi2粉购于北京华威锐科化工有限公司，粒径1
‑
2 μm，纯度99.5%。所用的c粉购于北京华威锐科化工有限公司，平均粒径30 nm，纯度99.5%。
23.实施例1b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片材料由如下体积分数的原料组成：b4c粉90%、添加剂10%。
24.b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料的制备方法如下：1）添加剂与原料混合粉体配制：选择zrsi2粉、b4c粉和c粉为原料，按照摩尔比2:1:3称量配料，再按体积配比称量b4c粉后混合;2）球磨：将b4c与配制好的添加剂置于聚四氟乙烯罐，并添加等质量的zro2球磨球，无水乙醇作为球磨介质，采用滚筒球磨机进行球磨，球磨时间24 h，转速100 r/min;3）干燥：球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，紧接着采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用;4）烧结：按照配方称量b4c粉与添加剂，将混合后的粉体置于石墨模具，随后经热压烧结，烧结温度1900 o
c，压强30 mpa，保温保压时间60 min，烧结完成后随炉冷却，取出模具后将烧结体与模具分离，即得到b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料。
25.本实施例所制得的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料的维氏硬度为 19 gpa、弯曲强度为 370 mpa、断裂韧性为 3.6 mpa
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26.实施例2b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料由如下体积分数的原料组成：b4c粉85%、添加剂15%。
27.b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料的制备方法如下：1）添加剂与原料混合粉体配制：选择zrsi2粉、b4c粉和c粉为原料，按照摩尔比2:1:3称量配料，再按体积配比称量b4c粉后混合;2）球磨：将b4c与配制好的添加剂置于聚四氟乙烯罐，并添加等质量的zro2球磨球，无水乙醇作为球磨介质，采用滚筒球磨机进行球磨，球磨时间24 h，转速120 r/min;3）干燥：球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，紧接着采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用;4）烧结：按照配方称量b4c粉与添加剂，将混合后的粉体置于石墨模具；随后经热压烧结，烧结温度1900 o
c，压强30 mpa，保温保压时间60 min，烧结完成后随炉冷却，取出模具后将烧结体与模具分离，即得到b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料。
28.本实施例制备的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料维氏硬度为19 gpa、弯曲强度为 380 mpa、断裂韧性为 3.7 mpa
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29.实施例3b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料由如下体积分数的原料组成：b4c粉80%、添加剂20%。
30.b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料的制备方法如下：1）添加剂与原料混合粉体配制：选择zrsi2粉、b4c粉和c粉为原料，按照摩尔比2:1:3称量配料，再按体积配比称量b4c粉后混合;2）球磨：将b4c与配制好的添加剂置于聚四氟乙烯罐，并添加等质量的zro2球磨球，无水乙醇作为球磨介质，采用滚筒球磨机进行球磨，球磨时间24 h，转速100 r/min;3）干燥：球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，紧接着采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用;4）烧结：按照配方称量b4c粉与添加剂，将混合后的粉体置于石墨模具；随后经热压烧结，烧结温度1950
o
c，压力30 mpa，保温保压时间60 min，烧结完成后随炉冷却，取出模
具后将烧结体与模具分离，即得到b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料。
31.本实施例所制备的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料维氏硬度为20 gpa、弯曲强度为 390 mpa、断裂韧性为 3.8 mpa
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32.实施例4b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料由如下体积分数原料组成：b4c粉75%、添加剂25%。
33.b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料的制备方法如下：1）添加剂与原料混合粉体配制：选择zrsi2粉、b4c粉和c粉为原料，按照摩尔比2:1:3称量配料，再按体积配比称量b4c粉后混合;2）球磨：将b4c与配制好的添加剂放入聚四氟乙烯罐，并添加等质量的zro2球磨球，无水乙醇作为球磨介质，采用滚筒球磨机进行球磨，球磨时间24 h，转速100 r/min;3）干燥：球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，紧接着采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用;4）烧结：按照配方称量b4c粉与添加剂，将混合后的粉体置于石墨模具；随后经热压烧结，烧结温度1900 o
c，压强30 mpa，保温保压时间120 min，烧结完成后随炉冷却，取出模具后将烧结体与模具分离，即得到致密的b4c
‑
zrb2‑
sic防弹片复合材料。
34.本实施例所制备的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料维氏硬度为22 gpa、弯曲强度为 430 mpa、断裂韧性为 4.5 mpa
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35.实施例5b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料由如下体积分数的原料组成：b4c粉70%、添加剂30%。
36.b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料的制备方法如下：1）添加剂与原料混合粉体配制：选择zrsi2粉、b4c粉和c粉为原料，按照摩尔比2:1:3称量配料，再按体积配比称量b4c粉后混合;2）球磨：将b4c与配制好的添加剂置于聚四氟乙烯罐，并添加等质量的zro2球磨球，无水乙醇作为球磨介质，采用滚筒球磨机进行球磨，球磨时间24 h，转速120 r/min;3）干燥：球磨结束后将浆料与zro2球磨球分离，紧接着采用旋转蒸发仪对浆料进行干燥，干燥后的混合粉体经200目筛网过筛后备用;4）烧结：按照配方称量b4c粉与添加剂，将混合后的粉体置于石墨模具；随后经热压烧结，烧结温度1900 o
c，压强30 mpa，保温保压时间60 min，烧结完成后随炉冷却，取出模具后将烧结体与模具分离，即得到b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料。
37.本实施例制备的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料维氏硬度为22 gpa、弯曲强度为 460 mpa、断裂韧性为 5.6 mpa
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38.实施例6将实施例1
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5中得到的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料进行xrd测试，结果相同如图1，如图1结果表明，该方法所制备的复合材料均为纯相，组元分别为b4c、zrb2、sic，反应物无残留。
39.将实施例5制备的b4c
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zrb2‑
sic防弹片复合材料断口进行sem扫描，结果表明，生成的zrb2和sic晶粒形貌多为棒状或者板条状，在陶瓷断裂时的作用机理有拔出与桥接，能够有效提升b4c韧性。
40.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。应当理解的是，对于本
领域的技术人员来说，无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化，根据本发明构思加以改进和变换，所作的任何修改、等同替换、改进等，所有的这些改进和变换都应属于本发明所附权利的要求的保护范围。因此，凡依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。