一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷及其制备方法，属于装甲防护材料技术领域。本发明专利技术通过对碳化硼/碳化硅复相陶瓷中成分的选取以及各成分含量的调控，得到一种密度低、弹性模量高、抗弯强度高以及断裂韧性高的抗弹陶瓷，能够满足现代装甲轻质、高性能的需求；另外，本发明专利技术所述碳化硼/碳化硅复相陶瓷的制备过程中采用无压烧结方法进行烧制，与以往的烧结方法相比，该方法能够降低成本，提高生产效率，烧结制得高致密度陶瓷，而且适于大批量生产。

Boron carbide / silicon carbide composite ceramic and preparation method thereof

The invention relates to a boron carbide/silicon carbide composite ceramic and a preparation method thereof, belonging to the technical field of armor protection materials. By selecting the components in the boron carbide/silicon carbide composite ceramics and adjusting the contents of each component, the invention obtains a kind of elastic-resistant ceramics with low density, high elastic modulus, high bending strength and high fracture toughness, which can meet the requirements of light weight and high performance of modern armor; in addition, the boron carbide/silicon carbide composite phase of the invention can meet the requirements of light weight and high performance of modern armor. Comparing with previous sintering methods, this method can reduce the cost, improve the production efficiency, sinter high density ceramics, and is suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷及其制备方法
本专利技术具体涉及一种轻质、高强韧性的碳化硼/碳化硅复相陶瓷以及采用无压烧结工艺进行烧结制备的方法，属于装甲防护材料

技术介绍
随着装甲技术的发展，对装甲材料的要求不仅需要良好的抗弹防护性能，对其减重要求也越来越高。使用轻质高性能新型装甲材料可以在不降低防护性能的基础上进一步降低坦克和装甲车等的重量，大幅度提升其机动性。作为重要的装甲防护材料，陶瓷可以在冲击过程中侵蚀、钝化和破碎弹体，具有优良的抗侵彻性能。在目前已有的各种防弹陶瓷中，碳化硼(B4C)陶瓷具有最小的比重，最高的硬度和弹性模量，是除金刚石、立方相氮化硼外最坚硬的材料，是现代轻质防弹材料的首选抗弹陶瓷材料。但是B4C陶瓷的断裂韧性和弯曲强度较低，仅为1～2MPa·m1/2和100～260MPa，这极大限制了B4C陶瓷的应用。另外，B4C陶瓷共价键占比达到94％，熔点高达2350℃，烧结极其困难，传统的B4C陶瓷主要通过热压烧结制得，但是热压烧结设备结构复杂、价格昂贵、不易控制；而且热压制品形状单一，热压烧结陶瓷不易实现规模生产，生产效率低，直接造成生产成本居高不下，这严重限制了碳化硼陶瓷的工业应用。如中国专利技术专利申请(申请号：201510807372.X申请日：2015.11.19)公开了一种无压烧结碳化硼陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：将碳化硼粉(D50≥2μm)70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％三种原料放入球磨机混料容器，再加入粘结剂、分散剂和去离子水进行球磨制浆，得到固相含量为25～45wt％的浆料；浆料用喷雾干燥造粒机制得造粒粉；将造粒粉采用干压成型或冷等静压成型工艺在100～200MPa下压成生坯；将生坯放入真空炉内，采用真空或常压烧结方式，在2000～2300℃下保温0.5～5h，得到碳化硼陶瓷。制备得到的碳化硼陶瓷密度达到2.40g/cm3，致密度可以达到96％以上，断裂韧性3.0～3.5MPa·m1/2，维氏硬度22～24GPa。随着对碳化硼陶瓷研究的深入，研究人员发展了碳化硼基复相陶瓷或碳化硼基复合材料。如中国专利技术专利申请(申请号：201110079294.8申请日：2011.03.31)公开了一种碳化硼碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法。该碳化硼碳化硅陶瓷基复合材料由碳化硼碳混合粉体预制体脱脂后通过合金熔渗反应烧结而成；其中，所述碳化硼碳混合粉体预制体中包括碳化硼85～98wt％，碳1.0～14.0wt％以及预制成型使用的有机粘接剂，所述合金由硅12.5～95wt％，铝5～87.5wt％构成。但是所制备的碳化硼碳化硅陶瓷基复合材料的密度较高，力学性能较差，不能满足现代装甲轻质、高性能的需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，通过对成分的选取以及各成分含量的调控，得到一种密度低、弹性模量高、抗弯强度高以及断裂韧性高的抗弹陶瓷，能够满足现代装甲轻质、高性能的需求；本专利技术的目的之二在于提供一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷的制备方法，与以往的热压烧结方法不同，本专利技术采用无压烧结方法烧制，能够降低成本，提高生产效率，烧结制得高致密度陶瓷，而且适于大批量生产。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，以制备所述复相陶瓷的原料总质量为100％计，所述原料的组成以及各组成的质量百分数如下：碳化硼粉56％～90％，碳化硅粉5％～30％，碳粉0.5％～5％，氧化铝粉0～5％，硼化锆粉0～5％以及REO(稀土氧化物)0.5％～5％；其中，REO优选CeO2、Y2O3或La2O3。所述复相陶瓷原料中，碳化硼粉的颗粒度为(0.5～1.0)μm，纯度≥96％；碳化硅粉的颗粒度为(0.3～0.8)μm，纯度≥96％。一种本专利技术所述的碳化硼/碳化硅复相陶瓷的制备方法，所述方法步骤如下：混料球磨：将原料中的各成分以及去离子水加入到球磨罐中，在200r/min～600r/min转速下球磨4h～12h，得到混合均匀的浆料；其中，每100g原料中加入200mL～400mL去离子水作为助磨剂；喷雾造粒：先将混合均匀的浆料与作为粘接剂的聚乙烯醇(PVA)水溶液混合均匀，再喷入造粒塔内，通过控制喷雾压力、进风温度、出风温度获得颗粒形态好、流动性好、颗粒分布范围窄、水分适中的造粒粉；其中，聚乙烯醇(PVA)水溶液的质量分数为1％～5％，进风温度150℃～180℃，出风温度80℃～130℃，喷雾压力0.05MPa～0.5MPa，造粒粉的颗粒尺寸为20μm～200μm；干压成型：将造粒粉置于模具内，在150MPa～200MPa的压力下保压0.5min～5min，脱模，得到生坯；无压烧结：将生坯放入无压烧结炉中，在真空条件或者氩气气氛保护下进行烧结；其中，先以5℃/min～10℃/min的速度升温到500℃～900℃，保温15min～60min，再以5℃/min～15℃/min的速度继续升温到1500℃～1900℃，随后再以5℃/min～20℃/min的速度继续升温至2050℃～2250℃，保温30min～120min，然后先以5℃/min～15℃/min的速度降温至1900℃～1500℃，再自然冷却或者快速冷却，得到碳化硼/碳化硅复相陶瓷。有益效果：(1)本专利技术通过陶瓷材料中组成成分以及各成分含量的调控，得到一种密度低(2.5g/cm3～2.8g/cm3)、弹性模量高(380GPa～420GPa)、维氏硬度高(≥26GPa)、抗弯强度高(400MPa～550MPa)以及断裂韧性高(5.0MPa·m1/2～6.9MPa·m1/2)的抗弹陶瓷，能够满足现代装甲轻质、高性能的需求；(2)本专利技术采用无压烧结方法进行烧制，与以往的烧结方法相比，该方法具有成本低、效率高、适于大批量制备的优点，而且所制备的产品致密度高。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的阐述。以下实施例中：分别参照国标GB/T25995-2010中的阿基米德排水法、国标GB/T22315-2008中的震动法、国标GB/T6569-2006中的三点弯曲法以及国标GB/T23806-2009中的单边切口梁法对所制备的抗弹陶瓷的密度、弹性模量、抗弯强度以及断裂韧性进行测试。实施例1一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，以制备所述复相陶瓷的原料总质量为100％计，所述原料的组成以及各组成的质量百分数如下：碳化硼粉(颗粒度为0.6μm，纯度为97％)85％，碳化硅粉(颗粒度为0.6μm，纯度为97％)12％，碳粉1％和氧化铈粉2％，其制备步骤如下：混料球磨：将原料中的各成分以及去离子水加入到球磨罐中，在400r/min转速下球磨6h，得到混合均匀的浆料；其中，每100g原料中加入300mL去离子水作为助磨剂；喷雾造粒：先将混合均匀的浆料与质量分数为2％的PVA水溶液混合均匀，再喷入造粒塔内，得到颗粒尺寸为150μm的造粒粉；其中，造粒塔的进风温度160℃，出风温度100℃，喷雾压力0.1MPa；干压成型：将造粒粉置于硬质合金模具内，采用双向加压的方式进行压制成型，在150MPa压力下保压30s后，脱模，得到生坯；无压烧结：将生坯放入无压烧结炉中，在氩气气氛保护下进行烧结，其中，先以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，其特征在于：以制备所述复相陶瓷的原料总质量为100％计，所述原料的组成以及各组成的质量百分数如下：碳化硼粉56％～90％，碳化硅粉5％～30％，碳粉0.5％～5％，氧化铝粉0～5％，硼化锆粉0～5％以及稀土氧化物0.5％～5％。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，其特征在于：以制备所述复相陶瓷的原料总质量为100％计，所述原料的组成以及各组成的质量百分数如下：碳化硼粉56％～90％，碳化硅粉5％～30％，碳粉0.5％～5％，氧化铝粉0～5％，硼化锆粉0～5％以及稀土氧化物0.5％～5％。2.根据权利要求1所述的一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，其特征在于：稀土氧化物为CeO2、Y2O3或La2O3。3.根据权利要求1所述的一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，其特征在于：所述碳化硼粉的颗粒度为(0.5～1.0)μm，纯度≥96％。4.根据权利要求1所述的一种碳化硼/碳化硅复相陶瓷，其特征在于：所述碳化硅粉的颗粒度为(0.3～0.8)μm，纯度≥96％。5.一种如权利要求1～4任一项所述的碳化硼/碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下，混料球磨：将原料中的各成分以及去离子水加入到球磨罐中，混合均匀得到浆料；喷雾造粒：先将浆料与聚乙烯醇水溶液混合均匀，再喷入造粒塔内进行造粒，得到颗粒尺寸为20μm～200μm的造粒粉；干压成型：将造粒粉置于模具内，在150MPa～200MPa的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王扬卫，沈永华，王富耻，陈涛，程焕武，马壮，
申请(专利权)人：北京理工大学，福州奇岳陶瓷微粉有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11