一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材及其制备方法、应用

1.本发明涉及陶瓷片材技术领域，尤其是一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材及其制备方法、应用。


背景技术：

2.碳化硼具有密度低，模量高，硬度高，使其成为军事装甲和空间领域应用的主要材料。单相碳化硼陶瓷断裂韧性低，抗外部冲击载荷性能较差，限制了防弹性能的发挥。碳纤维具有耐高温、低密度、高强度等综合性能，作为增强纤维制备的碳化硼复合材料，与碳化硼单向陶瓷相比，具有高强度、高韧性、高硬度以及很好的抗冲击性能等，可提高防弹材料抗多发打击能力，提高防弹板的防弹性能。
3.现有短纤维增强碳化硼陶瓷材料多采用的工艺是将短切碳纤维和碳化硼粉体及相应的分散剂混合球磨后，采用热压或反应烧结的工艺制备，制备的复合材料中短切碳纤维由于球磨、热压等工艺纤维损伤较大，复合材料中纤维保留长度仅50～250微米，显著降低了其增强增韧效果。


技术实现要素：

4.本发明提供一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材及其制备方法、应用，用于克服现有技术中纤维长度被破坏导致增强增韧效果差等缺陷。
5.为实现上述目的，本发明提出一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.s1：按质量比1:50～1:100称取短切纤维和混合溶液ⅰ，混匀，得到浆料a；所述混合溶液ⅰ为0.5～2％的聚丙烯酰胺水溶液或羟甲基纤维素钠水溶液；这两种分散剂可溶于水，经济环保；此外，这两种分散剂低浓度的水溶液即具有较高的粘度，能够很好的分散纤维，且长时间不容易沉降。但溶液浓度太低时，粘度相应降低，纤维容易沉降；浓度太高，粘度较大，纤维分散效果差，容易出现团聚。
7.s2：按质量比1:5～1:10称取碳化硼粉和混合溶液ⅱ，混匀，得到浆料b；所述混合溶液ⅱ为0.5～2％的聚丙烯酰胺水溶液或羟甲基纤维素钠水溶液；这两种分散剂可溶于水，经济环保，此外，这两种分散剂低浓度的水溶液即具有较高的粘度，能够很好的分散粉体，且长时间不容易沉降。但溶液浓度太低时，粘度相应降低，纤维容易沉降；浓度太高，粘度较大，纤维分散效果差，容易出现团聚。
8.s3：将所述浆料a和浆料b混合，搅拌，得到混合浆料；
9.s4：将所述混合浆料倒入底面平整的容器中，再将容器放置于震动台上，震动10～30min使混合浆料均匀铺展在容器底部；
10.s5：将容器放到烘箱中60～80℃低温干燥4～8h，再继续升温至120～150℃干燥2～4h，得到短切纤维增强碳化硼陶瓷片材
，
通过控制单位面积浆料质量来控制片材的厚度为0.5-2mm。
11.优选地，在步骤s1中，所述短切纤维为碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维中的一种。
12.优选地，在步骤s1中，所述短切纤维的长度为1～6mm。
13.优选地，在步骤s1中，所述混匀具体为：采用机械搅拌同时加超声震动的混合方式，机械搅拌转速600-1000rpm，超声震动的频率为25-40khz，，时间为30～120min。
14.优选地，在步骤s2中，所述碳化硼粉的粒径为1～5微米。
15.优选地，在步骤s2中，所述混匀方式具体为：采用机械搅拌的同时加超声震动的混合方式，机械搅拌转速600-1000rpm，超声震动的频率为25-40khz，时间为30～60min。
16.优选地，在步骤s3中，所述搅拌的转速600-1000rpm，时间为10～60min。
17.优选地，在步骤s4中，所述10-50hz，振幅0.5-2mm，震动时间10～30min。
18.为实现上述目的，本发明还提出一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材，由上述所述制备方法制备得到。
19.为实现上述目的，本发明还提出一种短切纤维增强碳化硼陶瓷片材的应用，将上述所述制备方法制备得到的碳化硼陶瓷片材或者上述所述碳化硼陶瓷片材应用于短切碳纤维增强碳化硼复合材料，也可以和长纤维陶瓷片结合使用，制备长短纤维组合增强的陶瓷基复合材料。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
21.本发明提供的短切纤维增强碳化硼陶瓷片材的制备方法采用聚丙烯酰胺或羟甲基纤维素钠为分散剂，分别单独分散短切纤维和碳化硼粉，再将短切纤维和碳化硼粉的分散液混合搅拌，形成含短切纤维和碳化硼粉的混合浆料，将混合浆料浇注到底面平整的容器中，然后采用震动方式使浆料铺展、干燥后得到短切纤维增强碳化硼陶瓷片材。本发明采用机械搅拌和超声震动组合方式解决了纤维和粉体均匀分散问题，分散过程对纤维损伤较小，和传统的短纤维增强陶瓷基复合材料造粒过筛或球磨分散工艺相比，保持了短切纤维长度完整性，提高了纤维在材料中增韧效果，同时，通过震动方式使浆料快速均匀铺展、干燥后将碳纤维陶瓷制备成陶瓷片而不是直接制备成块体，有利于不同规格尺寸短纤维增强碳化硼复合材料制备，同时也可以和长纤维增强碳化硼陶瓷片或者其他体系短纤维或长纤维增强陶瓷片组合使用，制备不同组成结构的陶瓷基复合材料。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
23.图1为实施例1制备的短切纤维增强碳化硼陶瓷片材的实物图；
24.图2为实施例1制备的短切纤维增强碳化硼陶瓷片材的微观照片。
25.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
28.无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
29.实施例1
30.本实施例提供一种短切碳纤维纤维增强碳化硼陶瓷片材的制备方法，包括以下步骤：
31.将质量分数为0.5％的聚丙烯酰胺溶液与6mm长的短切碳纤维按照质量比1:50混合，采用机械搅拌+超声震动混合方式，搅拌30分钟，获得均匀分散的纤维浆料a1。
32.将质量分数为0.5％的聚丙烯酰胺溶液与1微米粒径碳化硼陶瓷粉按照质量比1:10混合，采用机械搅拌+超声震动混合方式，搅拌30分钟，获得均匀分散的碳化硼浆料b1。
33.将浆料a1和b1混合，进一步搅拌60分钟后获得含碳纤维和碳化硼陶瓷粉的均匀浆料。将均匀分散的溶液倒入底面平整容器中，容器放置于震动台上，震动10分钟后，浆料均匀铺展在容器底部。将容器放到烘箱中60℃干燥4小时后，继续升高温度到150℃干燥2小时，获得短切碳纤维增强碳化硼陶瓷片材，其宏观及微观图如图1和2所示，从图1可知，本实施例制备的短切纤维增强碳化硅陶瓷片材表面平整，无明显的纤维团聚、肉眼可见孔洞等缺陷，纤维分散均匀，且纤维长度基本无损伤，这一点从图2的短切碳纤维增强碳化硼陶瓷片材微观照片也可以看出。
34.实施例2
35.本实施例提供一种短切碳化硅纤维增强碳化硼陶瓷片材的制备方法，包括以下步骤：
36.将质量分数为2％的羟甲基纤维素钠溶液与1mm长短切碳化硅纤维按照质量比1:100混合，采用机械搅拌+超声震动混合方式，搅拌120分钟，获得均匀分散的纤维浆料a2。
37.将质量分数为2％的羟甲基纤维素钠溶液溶液与5微米粒径碳化硼陶瓷粉按照质量比1:5混合，采用机械搅拌+超声震动混合方式，搅拌60分钟，获得均匀分散的碳化硼浆料b2。
38.将浆料a2和b2混合，进一步搅拌30分钟后获得含碳化硅纤维和碳化硼陶瓷粉的均匀浆料。将均匀分散的溶液倒入底面平整容器中，容器放置于震动台上，震动30分钟后，浆料均匀铺展在容器底部。将容器放到烘箱中80℃干燥8小时后，继续升高温度到120℃干燥4小时，获得短切碳化硅纤维增强碳化硼陶瓷片材。
39.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。