一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加。所述防弹靶板，包括具有环形结构的防弹陶瓷片和PE背板，防弹陶瓷片均匀分布在所述PE背板上。本发明专利技术的防弹陶瓷片引入环状结构设计，可提高其防弹性能；在Al2O3粉料中引入一定量TiO2和MgO粉料，实现低温烧结；引入一定的3Y‑ZrO2，实现增韧；环间填充混合粉末的存在，通过烧结，可将陶瓷片、陶瓷环和异形件粘接起来，有利于提高防弹板的制作效率；本发明专利技术的制备方法原料粉来源丰富，成本低廉，生产工艺简单，产品质量稳定的特点。 1

Bulletproof ceramic plate with bullet ring structure and bullet proof target plate and preparation method thereof

The invention discloses a bullet proof ceramic piece with a ring structure, a bulletproof target plate and a preparation method. The bulletproof ceramic piece is round, and is nested by a central ceramic wafer and a plurality of ring rings, and the inner diameter of the multiple groups of circular rings is increased in turn. The bullet proof target plate comprises a bulletproof ceramic piece with an annular structure and a PE backplane, and bullet proof ceramic sheets are evenly distributed on the PE backplane. The bulletproof ceramic piece of the invention is designed to improve its ballistic performance. A certain amount of TiO2 and MgO powder is introduced into the Al2O3 powder to achieve low temperature sintering, and a certain 3Y ZrO2 is used to toughen it. The presence of mixed powder in the ring is filled, and the ceramic, ceramic and special parts can be bonded together through sintering. This invention has the characteristics of abundant raw material powder, low cost, simple production technology and stable quality of the product. One

【技术实现步骤摘要】
一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法
本专利技术涉及无机非金属材料
，具体涉及一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法。
技术介绍
现代战争中，高性能人体防护装具是提高士兵战场生存率的关键因素之一，日常生活中公安、交警和保安人员等穿戴的防弹背心、头盔等也是人体防护装具的重要组成部分，因此，开展高性能人体防护装具的研究，对维护国家安全和社会治安等具有重要意义。在人体防护装具研究领域，目前的趋势是将高强高硬的陶瓷硬层与高强高模的聚合物软层结合，制成复合型防护装具，这种装具综合了硬层和软层材料各自的优点，具有优异的防护性能和广阔的市场空间。在复合防护装具中，硬层材料占近80％的质量和60％的成本，能消耗子弹冲击能量的70％左右[5]。因此，陶瓷硬层性能的大幅提高，对改善复合防护装具的综合性能，降低其质量和生产成本，极为重要。目前，国内外使用的防弹陶瓷材料主要有Al2O3、碳化硼(下文用B4C表示)、碳化硅(下文用SiC表示)、硼化钛(下文用TiB2表示)、氮化铝(下文用AlN表示)、氮化硅(下文用Si3N4表示)、塞隆(下文用Sialon表示)等，其相关性能见表1：表1常用防弹陶瓷材料的性能*B4C、SiC和Al2O3三种防弹陶瓷的价格比约为6:3:1从表中可以看出，B4C硬度最高，密度最低，被认为是较理想的防弹陶瓷，但其价格昂贵，使用范围有限；Al2O3虽然硬度较低、密度较高，但烧结性能好，工艺成熟，生产成本低，因而得以广泛使用；防弹性能介于B4C和Al2O3之间的SiC材料，它的硬度、弹性模量较高，密度居中，但由于工艺技术等的不完善，使用者较多的考虑前两种，故而SiC防弹陶瓷的发展受到限制；TiB2的硬度和弹性模量较高，但其密度亦较高，故它被重型装甲所采用；对AlN、Si3N4、Sialon等陶瓷，也对其抗弹性能有过探索。Al2O3陶瓷因上述一系列优点，而在复合型人体防护装具中得以广泛使用。但Al2O3陶瓷防弹性能较低，在实际使用中主要通过增加厚度来提高防护效果，厚度的增加导致制备工艺复杂，生产成本增加，同时导致防护装具的质量增加，影响穿戴的舒适度和运动的灵活性，这些都阻碍了Al2O3防弹陶瓷的进一步应用。研究表明，影响陶瓷材料防弹性能的主要因素包括硬度、断裂韧性、弹性模量及弯曲强度等。传统理论认为同时提高陶瓷材料断裂韧性、强度和弹性模量以及硬度的方法比较有限。通过在陶瓷中加入纤维、晶须或晶片、微粒等可提高其断裂韧性，这种增韧是通过偏移裂纹或提供连接成分以预防裂纹进一步扩展来实现的，另一种方法是在陶瓷中加入金属成分来形成裂纹连接元素以便在塑性变形时吸收能量。陶瓷材料强度和弹性模量的提高主要通过致密化烧结、细化晶粒等方法来实现，硬度的提高主要通过在基体中加入硬度较高的第二相等。但上述方法或导致工艺复杂、成本增加，如添加纤维、晶须等，或导致材料的烧结温度升高，如添加硬颗粒，添加3Y-ZrO2等虽然可以提高材料的强度和断裂韧性，但其硬度会显著下降，添加金属会导致制备工艺复杂、成本增加。总之，传统方法不能同时提高陶瓷材料的弹性模量和强度、断裂韧性及硬度等，而且还会带来其它一些负面影响，从防弹材料应用的角度看，都是不利的。自从上世纪80年代末，Niihara等报道了一系列材料中添加亚微米或纳米分散相粒子后具有极高的性能以来，纳米复合材料的研究已成为材料科学领域的一个新热点。表2为Al2O3基纳米复相陶瓷的部分研究结果。表2单相和Al2O3基纳米复相陶瓷材料的力学性能数据从表2中的数据可以看出，不同系列的Al2O3纳米复相陶瓷的强度均比单相Al2O3陶瓷提高1-1.5倍，断裂韧性提高1-3倍，纳米SiC颗粒的添加还能大幅提高材料的硬度，但这些方法均存在一定局限性，比如用到热压烧结，而添加SiC纳米颗粒或金属及合金，烧结过程需要在惰性烧结气氛下进行，从防弹陶瓷的生产和使用角度看，都是不利的。另一类改善陶瓷材料韧性的思路是采用层状复合结构设计，陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发，研究发现：要克服陶瓷材料的脆性，可以采用层状结构，在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层(通常称之为夹层、隔离层或界面层)制成层状复合材料，这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷材料突发性断裂的致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时，裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折，有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时，这种材料的强度受缺陷影响较小，是一种耐缺陷材料，这种结构可使陶瓷材料的韧性得到很大改善，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的设计和研究思路。现有非专利文献披露的层状陶瓷材料，其素坯层主要通过流延成型法制备，层厚为0.5mm左右，不同组成的素坯经过预处理之后通过热压烧结来制备层状陶瓷。现有层状陶瓷的生产效率很低，素坯预处理工艺复杂，陶瓷的烧成过程对设备要求较高，而且无法实现连续化生产，故此很少用于批量生产。目前关于通过结构和组成设计来提高陶瓷防弹性能的专利文献主要有：中国专利说明书CN201310293329.7公开了周泽华等专利技术的一种三明治结构的防弹陶瓷片，其特点是，三明治结构的防弹陶瓷片上下两个表面层成分按质量百分比为85-95％Al2O3+5-15％氧化锆(下文用ZrO2表示)，中心层成分按质量百分比为75-85％Al2O3+15-25％ZrO2；烧结后三明治结构防弹陶瓷片的表面层与中心层的厚度比为1:5－15；防弹陶瓷片的表面为正六边形或正方形，厚度方向为三明治层状结构，烧结后正六边形对角线长40－60mm，厚度7－12mm，或正方形边长为30－60mm，厚度7－12mm；烧结后防弹陶瓷片的相对密度98.5-99.5％，抗冲击韧性1-1.4J，抗弯强度500-600MPa，断裂韧性8-11MPa·m1/2。可作为人体、装甲的硬质防弹材料使用。通过对Al2O3－ZrO2复合陶瓷引入三明治结构，保证相邻层间一定成分差异，使陶瓷片具有优秀抗冲击性能；并引入三步成型法，在大气环境、较低温度下完成陶瓷片的致密化。上述成型工艺较为复杂，且ZrO2的引入可能导致材料的烧结温度升高。中国专利说明书CN200410098948.1公开了彭榕专利技术的一种金属/陶瓷层状复合材料防护板，主要用作装甲板。为了提高防弹效果和使用可靠性，减轻防护板重量，改善复合防护板的抗二次打击性能，这种金属/陶瓷层状复合材料防护板，具有至少一个金属层/陶瓷层/金属层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～900℃温度下，通过活性铸接工艺或活性金属钎焊工艺将金属层和陶瓷层焊接在一起。这种金属/陶瓷层状复合材料防护板，兼具金属和陶瓷材料各自的特点，不仅硬度高，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速弹丸打击的能力。这种防护板可广泛应用在防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。上述工艺实际是三层分别制备，而后焊接在一起，三层分别烧结加焊接导致制备工艺复杂。而金属层相比陶瓷层，其成本大幅增加。中国专利说明书CN200910015239.5公开了高礼文等专利技术的一种纳米SiC增韧Al2O3防弹陶瓷的制备方法，包括配料、成型和烧成，其特点是基础配料组成按重量百分比为：粒径小于2.5μm的α－Al2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有环状结构的防弹陶瓷片，其特征在于，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷

【技术特征摘要】
1.一种具有环状结构的防弹陶瓷片，其特征在于，所述防弹陶瓷片为圆形，由中心陶瓷圆片和多组圆环嵌套而成，且多组圆环的内径依次增加。2.根据权利要求1所述的具有环状结构的防弹陶瓷片，其特征在于，所述防弹陶瓷片的厚度为6.0～10.0mm，所述中心陶瓷片的直径为10.0±0.5mm，圆环的宽度为10.0±0.5mm。3.一种防弹靶板，其特征在于，包括权利要求1所述的具有环形结构的防弹陶瓷片和PE背板，所述防弹陶瓷片均匀分布在所述PE背板上。4.根据权利要求3所述的防弹靶板，其特征在于，还包括异形件，所述异形件填充在相邻防弹陶瓷片形成的空隙内。5.一种如权利要求1所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合后，加入去离子水进行湿磨，然后将湿磨后的浆料烘干至恒重，得到烘干后的粉料；(2)将烘干后的粉料进行干磨，干磨后的粉料加水进行陈腐、造粒工艺处理，得到氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，然后将氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物进行模压，制成不同形状和尺寸的生坯；(3)将生坯按照大小彼此嵌套起来，组成一个圆形坯，然后在相邻环之间填充氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆粉料混合物，烧结后获得具有环状结构的防弹陶瓷片。6.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的粒度均为2～10μm，氧化铝、二氧化钛、氧化镁和三钇稳定氧化锆的重量比为(87～99.5)：(0～4.0)：(0～4.0)：(0.5～5.0)；加入与粉料相同质量的去离子水进行湿磨。7.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的湿磨和步骤(2)中的干磨中球磨机的转速为300～500转/min，球磨时间为60～180min。8.根据权利要求5所述的具有环状结构的防弹陶瓷片的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，陈腐工艺的具体步骤为：在干磨后的粉料中加入粘结剂，然后研磨均匀，密封，室温放置12～48h实现水分均匀化，得到陈腐后粉料；所述粘结剂为质量分数为5％的聚乙烯醇，所述粘结剂的加入量为干磨后的粉料质量的0.2～0.8％；造粒工艺的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：高朋召，高波，吴传清，林明清，张远军，颜进，林海军，
申请(专利权)人：湖南中泰特种装备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43