一种碳化硼陶瓷片的制备方法技术

本发明专利技术提供一种碳化硼陶瓷片的制备方法，该方法包括以下步骤：1）配制1‑2wt%石墨烯溶液，加入分散剂，通过超声、搅拌或球磨方式均匀分散，获得石墨烯均匀分散的溶液；2）加入碳化硼原料粉末中，选用平均粒径为3‑5 um的碳化硼粉末作为原料，添加3%‑4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1‑2 um；3）将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液混合球磨形成浆料；4）造粒，烘干得到造粒粉；5）将造粒粉装入模具，热压烧结。

A preparation method of boron carbide ceramic sheet

\u672c\u53d1\u660e\u63d0\u4f9b\u4e00\u79cd\u78b3\u5316\u787c\u9676\u74f7\u7247\u7684\u5236\u5907\u65b9\u6cd5\uff0c\u8be5\u65b9\u6cd5\u5305\u62ec\u4ee5\u4e0b\u6b65\u9aa4\uff1a1\uff09\u914d\u52361\u20112wt%\u77f3\u58a8\u70ef\u6eb6\u6db2\uff0c\u52a0\u5165\u5206\u6563\u5242\uff0c\u901a\u8fc7\u8d85\u58f0\u3001\u6405\u62cc\u6216\u7403\u78e8\u65b9\u5f0f\u5747\u5300\u5206\u6563\uff0c\u83b7\u5f97\u77f3\u58a8\u70ef\u5747\u5300\u5206\u6563\u7684\u6eb6\u6db2\uff1b2\uff09\u52a0\u5165\u78b3\u5316\u787c\u539f\u6599\u7c89\u672b\u4e2d\uff0c\u9009\u7528\u5e73\u5747\u7c92\u5f84\u4e3a3\u20115\u00a0um\u7684\u78b3\u5316\u787c\u7c89\u672b\u4f5c\u4e3a\u539f\u6599\uff0c\u6dfb\u52a03%\u20114%\u7684\u77f3\u58a8\u7c89\u4f5c\u4e3a\u70e7\u7ed3\u52a9\u5242\uff0c\u77f3\u58a8\u7c89\u7684\u5e73\u5747\u7c92\u5f84\u4e3a1\u20112\u00a0um\uff1b3\uff09\u5c06\u78b3\u5316\u787c\u539f\u6599\u7c89\u672b\u548c\u77f3\u58a8\u70ef\u6eb6\u6db2\u6df7\u5408\u7403\u78e8\u5f62\u6210\u6d46\u6599\uff1b4\uff09\u9020\u7c92\uff0c\u70d8\u5e72\u5f97\u5230\u9020\u7c92\u7c89\uff1b5\uff09\u5c06\u9020\u7c92\u7c89\u88c5\u5165\u6a21\u5177\uff0c\u70ed\u538b\u70e7\u7ed3\u3002

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硼陶瓷片的制备方法
本专利技术属于防弹陶瓷领域，具体涉及一种碳化硼陶瓷片的制备方法。
技术介绍
随着科技的快速发展，战场上面临的威胁越来越大，使得防弹装甲材料日益朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度的方向发展。传统金属防弹材料由于密度大，使得车辆、船舶和飞机不得不牺牲其有效载荷，同时过厚的装甲又降低了设备的操作灵活性，因此，轻质防弹材料已经成为目前的研究热点和发展趋势。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、密度低等优良的性能，以及吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的。其中B4C陶瓷具有比重轻（2.52g/cm3）、硬度高（～36GPa）、弹性模量大（～45GPa），以及良好的化学稳定性等优异性能，是现代轻质高效防弹装甲首选的抗弹陶瓷，已在美、英等先进国家的士兵防护、军机防护、车辆防护等领域得到广泛的应用。钛合金具有优良的硬度和韧度，其密度也低于装甲钢，尽管密度仅是装甲钢的60%，但其强度可与均质钢媲美，韧度也要优于大多数铝合金装甲，综合防护性能比同等重量的均质钢装甲优越30%-40%。B4C的熔点高达2350℃，纯B4C材料因其高共价键含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添加烧结助剂促进其烧结。另外，B4C陶瓷的低韧性严重影响其抗弹性能。因此可以采取成分及结构复合的方式来提高B4C陶瓷的韧性。目前B4C陶瓷的制备主要是热压烧结、无压烧结、反应烧结三种工艺。其中热压烧结是制备高性能碳化硼陶瓷的主要方法，一般用细碳化硼粉末在2100℃即可得到相对密度大于98%的碳化硼制品。目前，制备大尺寸陶瓷装甲仍然面临较大的困难。
技术实现思路
为解决以上问题，本专利技术提供一种碳化硼陶瓷片的制备方法，该方法包括以下步骤：1）配制1-2wt%石墨烯溶液，加入分散剂，，通过超声、搅拌或球磨方式均匀分散，获得石墨烯均匀分散的溶液；2）加入碳化硼原料粉末中，选用平均粒径为3-5um的碳化硼粉末作为原料，添加3%-4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1-2um；3）将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液混合球磨形成浆料；4）造粒，烘干得到造粒粉；5）将造粒粉装入模具，热压烧结。作为优选，所述步骤1）中的石墨烯溶液为石墨烯的酒精溶液或石墨烯的水溶液。作为优选，所述步骤1）中的分散剂为N-甲基吡咯烷酮。作为优选，所述步骤1）中石墨烯的片径＞1um，层数＜10层，石墨烯的添加量为碳化硼原料粉末的1-5wt%。作为优选，所述步骤3）中将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液加入球磨机中球磨8-10h，球磨机转速为30-50rpm，球料比2：1。作为优选，所述造粒机的喷盘转速350转/分钟，超声频率40-60KHz，造粒粉烘干温度100～110℃。作为优选，将造粒粉装入石墨模具中进行热压，温度2000-2200℃，压力20-50MPa，烧结时间30-60min。作为优选，所述模具为正六角形模具与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的碳化硼陶瓷板由陶瓷片拼接而成，所述陶瓷片中高度分散的石墨烯是二维材料，可通过表面改性和修饰，显著降低石墨烯层片之间的相互吸引力而避免团聚,在一些液体介质中有很好的分散性和稳定性，从而可以制备稳定分散的石墨烯溶液，将其与陶瓷基体浆料混合，可得到植入效果良好的石墨烯-陶瓷混合原料，石墨烯是通过钉扎陶瓷界面、诱导裂纹偏转、分叉以及裂纹桥联、石墨烯断裂和拔出吸能等机制起到强化韧化作用。本公司采用自主开发的石墨烯增韧热压碳化硼技术，将石墨烯均匀分散在碳化硼粉末中，之后采用热压烧结，获得了性能优良的碳化硼陶瓷材料，加入石墨烯后其抗弯强度从大约350MPa提高到了500MPa以上，综合防弹性能大大增强。正六角形陶瓷模具得到的六角形陶瓷片的设计有利于陶瓷片的合理排布和紧密结合，以及相互约束，方便陶瓷板的拼接有利于制备大尺寸的防弹装甲。附图说明图1为本专利技术提供的造粒机的结构示意图；图2为本专利技术提供的陶瓷片的俯视图；图3为本专利技术提供的陶瓷片的侧视图；图4为本专利技术提供的碳化硼钛合金复合装甲的俯视图；图5为本专利技术提供的碳化硼钛合金复合装甲的剖视图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术进行进一步说明。实施例1碳化硼陶瓷片的制备步骤1）原料粉末：选用平均粒径为3-5um的碳化硼粉末作为原料，添加3%-4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1-2um；步骤2）配制石墨烯溶液：配制1-2wt%的石墨烯水溶液或者酒精溶液，加入N-甲基吡咯烷酮为分散剂，超声分散10-20h，获得石墨烯均匀分散的溶液；其中石墨烯的片径＞1um，层数＜10层，石墨烯的添加量占碳化硼粉末的1-5wt%；步骤3）将步骤1）中的得到的粉末和步骤2）中得到的石墨烯溶液加入球磨机中球磨8-10h，球磨机转速为30-50rpm，球料比2：1；步骤4）造粒：如图1所示，采用造粒机，造粒机为本申请的专利技术人自制的造粒机，具体造粒机的结构如图1所示，包括浆料桶1，蠕动泵电机，蠕动泵2，喷盘3，喷盘电机，造粒机桶4，超声装置6，出料口7，所述浆料桶1与蠕动泵2连通，所述蠕动泵2与喷盘3连通，所述喷盘3与造粒机桶4连通，所述造粒机桶4与超声装置6连通，所述喷盘设有风口，其中所述风口可以为沿喷盘中心轴线上周围开设的通孔。所述风口与鼓风机连接，所述超声装置内通入去离子水5。所述造粒机的具体工作步骤为：将喷盘3转速设定为350转/分钟，超声装置的频率设定为40-60KHz；驱动蠕动泵电机，将上述步骤3）中球磨好的浆料桶中的浆料通过蠕动泵2输送到造粒机顶端的喷盘3中，喷盘电机驱动系统驱动喷盘3旋转，旋转的喷盘3通过离心作用将浆料分散，鼓风机通过风口将分散的浆料吹至底部带有超声装置6的水中，颗粒不溶于水而沉淀至底部，这样，得到粒度分布均匀、流动性良好、水分含量适中的粉料，将得到的粉料烘干，干燥温度为100-110℃，烘干后得到造粒粉；步骤5）将造粒粉装入预制形状的石墨模具中进行热压，温度2000-2200℃，压力20-50MPa，烧结时间30-60min。如图2所示，采用石墨模具，得到正六角形陶瓷片8，如图3所示，陶瓷片表面呈弧形9，所述弧形的最高面与陶瓷片底部之间的距离为10mm左右，这样，防弹性能增强；另外，所述陶瓷片背部向上延伸设有环形陶瓷10，环形陶瓷向上凸起，所述凸起与正六角形陶瓷片8一体成型；其高度为2mm左右，如图2所示，所述环形陶瓷片的边缘接近正六角形陶瓷片的边缘，这样，陶瓷片在后期拼接浇注的过程更加牢靠。实施例2碳化硼-钛合金复合装甲步骤1）根据实施例1的制备方法，且实施例1步骤5）中的的石墨模具正六角形，如图2所示，得到正六角形的陶瓷片，将陶瓷片8拼接在一起形成陶瓷板11。步骤2）首先根据碳化硼陶瓷板11的尺寸预制一定形状的模具，将待浇注的陶瓷板11在模具中安放好，在400℃烘箱内预热1小时，取出放置在浇注槽内。然后熔炼炉升温至一定温度，待钛合金完全熔化后浇铸于陶瓷块周围，熔融钛合金凝固后即实现金属对陶瓷材料的封装，形成钛合金包裹碳化硼陶瓷的整体结构。钛合金的用量根据产品浇注尺寸计算，浇注尺寸如图3所示。本专利技术使用的钛合金是具有良好机械和防弹性能的Ti-Al-V-Fe合金。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硼陶瓷片的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1）配制1‑2wt%石墨烯溶液，加入分散剂，通过超声、搅拌或球磨方式均匀分散，获得石墨烯均匀分散的溶液；2）加入碳化硼原料粉末中，选用平均粒径为3‑5 um的碳化硼粉末作为原料，添加3%‑4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1‑2 um；3）将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液混合球磨形成浆料；4）造粒，烘干得到造粒粉；5）将造粒粉装入模具，热压烧结。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硼陶瓷片的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1）配制1-2wt%石墨烯溶液，加入分散剂，通过超声、搅拌或球磨方式均匀分散，获得石墨烯均匀分散的溶液；2）加入碳化硼原料粉末中，选用平均粒径为3-5um的碳化硼粉末作为原料，添加3%-4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1-2um；3）将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液混合球磨形成浆料；4）造粒，烘干得到造粒粉；5）将造粒粉装入模具，热压烧结。2.根据权利要求1所述的碳化硼陶瓷片的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的石墨烯溶液为石墨烯的酒精溶液或石墨烯的水溶液。3.根据权利要求1所述的碳化硼陶瓷片的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的分散剂为N-甲基吡咯烷酮。4.根据权利要求1所述的碳化硼陶瓷片的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏伦刚，崔毅，赵立，傅肃嘉，方宁象，
申请(专利权)人：浙江立泰复合材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33