反应烧结陶瓷防弹插板及反应烧结防弹陶瓷的制备方法

摘要

本发明公开了一种反应烧结陶瓷防弹插板及一种反应烧结防弹陶瓷的制备方法，所述方法依次包括以下步骤：将陶瓷粉体、碳源粉末和成型剂使用球磨机混合均匀，获得混合粉末，经喷雾干燥制粒后，在模具中压制成形，得到陶瓷压坯；将硅粉、碳化硅粉和氮化硼粉末混合均匀，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯；将陶瓷压坯和烧结熔渗剂压坯叠放在一起，在真空环境下进行反应烧结，得到烧结陶瓷；将烧结陶瓷表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到致密的陶瓷片。通过多个陶瓷片即可拼接成防弹插板；通过特殊的熔渗剂原料配方的改进，使反应烧结过程残留在陶瓷产品表面的硅容易被去除，保持了陶瓷素坯的原有形貌特征，容易实现工业化大规模生产。

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及复合材料的制备工艺，尤其是一种反应烧结陶瓷防弹插板的制备方法及其产品。

背景技术

防弹材料主要应用于战时人体、战车、舰船和飞机特定部位的防护。目前人体防护主要采用在软体防弹衣上叠加陶瓷插板的结构形式，在其中起到主要防弹作用的陶瓷材料必须具备高硬度、高弹性模量和较低的密度，目前的陶瓷防弹材料通常选用氧化铝、碳化硅、碳化硼和氮化硅等。

防弹陶瓷板可分为拼接板和整体板两种。采用拼接板的方法首先要将陶瓷压制和烧结成规则形状（一般为正方形、正六边形、正三角形等形状）的具有一定尺寸大小的小块陶瓷，然后再按图2的方法拼接成所需尺寸和大小的防弹陶瓷板。这种拼板方法具有陶瓷变形小、制备柔性大的优点。

陶瓷可以通过不同生产工艺进行生产。采用热压烧结工艺制造的陶瓷性能较好，但随之生产成本也大幅提高；采用无压烧结制备的陶瓷，其原料要求较高，烧结温度高，制品尺寸变化较大，工艺复杂且性能不高；采用反应烧结工艺所生产的陶瓷产品致密度高，防弹性能较好，且制备成本相对较低。

传统的反应烧结工艺是在真空环境和高于硅熔点（1410℃）的温度下，将熔融的硅渗入到含有碳的多孔陶瓷素坯中，硅与碳反应后在素坯内部原位生成碳化硅。与热压烧结或无压烧结工艺相比，反应烧结可以在相对较低的温度下进行，可以有效抑制材料在高温下发生的诸多不利反应与变化。

但是，传统的反应烧结工艺也具有一些局限性。由于烧结过程需要进行熔渗硅与碳的反应，为保证素坯中的碳完全参与反应，熔渗的硅必须超过理论计算数值，否则将导致素坯心部欠烧残碳，从而使制品性能大幅度下降。超量的硅往往沉积在烧结后的陶瓷表面，与陶瓷形成紧密的结合，非常难以去除。因此，采用传统的反应烧结方法制备具有特别形状的陶瓷片后，瓷片上的残留硅难以采用常规方法去除。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种反应烧结防弹陶瓷的制备方法，使烧结后的陶瓷表面的超量的硅容易去除，同时还提供一种利用该方法制得的防弹陶瓷制造的具有优异防弹性能的陶瓷防弹插板。

本发明的技术方案是这样实现的：一种反应烧结防弹陶瓷的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，将陶瓷粉体、碳源粉末和成型剂使用球磨机混合均匀，获得混合粉末，经喷雾干燥制粒后，在模具中压制成形，得到具有各种特定形状的陶瓷压坯； 

步骤二，将硅粉、碳化硅粉和氮化硼粉末混合均匀，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯； 

步骤三，将陶瓷压坯和烧结熔渗剂压坯叠放在一起，在真空度不低于5×10^-1Pa的真空炉中，升温到1450~1750℃进行烧结保温1~3 h，得到反应烧结陶瓷产品； 

步骤四，将烧结陶瓷表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到致密的陶瓷片，并保持了压坯原有的形状； 

其中，步骤二所述的烧结熔渗剂的组成按重量比计：硅粉60~80%，碳化硅粉3~10%，其余为氮化硼，所有粉末的粒度范围为30~200目。

作为优选方案：步骤一所述的陶瓷粉体由碳化硅粉末和碳化硼粉末的一种或两种粉末组成，所述碳源由炭黑、酚醛树脂的一种或两种组成；所述混合粉末中陶瓷粉末与碳源粉末的质量比分别为80~90%和3~15%；所述成型剂为酚醛树脂、聚乙二醇、羟甲基纤维素或石蜡，成型剂在混合粉末中的质量比为5~15%。

本发明还提供一种反应烧结陶瓷防弹插板，由2个直角梯形的第一瓷片、4个矩形的第二瓷片和16个正方形的第三瓷片构成；第一瓷片的底边长度分别为a和2a，垂直于底边的腰长为2a；第二瓷片的长边长为2a，短边长为a；第三瓷片的边长为2a；所述的瓷片布置为五行，最上方一行中间为两个第三瓷片，两侧为各一个第一瓷片，第二行中间为三个第三瓷片，两侧为各一个第二瓷片；第三行为四个第三瓷片；第四行中间为三个第三瓷片，两侧为各一个第二瓷片；第五行为四个第三瓷片；各个瓷片粘接在一个基板上。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的工艺方法，可以制备具有特殊形状特征的防弹陶瓷片；通过特殊的熔渗剂原料配方的改进，使反应烧结过程残留在陶瓷产品表面的硅与陶瓷之间结合不紧密，采用钝器轻敲即可使之脱落，容易被去除，降低了劳动强度和对环境的污染，保持了陶瓷素坯的原有形貌特征，容易实现工业化大规模生产。

附图说明

图1是防弹陶瓷压坯的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是防弹插板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

1) 将质量组成为碳化硅粉体90%、炭黑粉末3%、聚乙烯醇7%的原料混合均匀后，经喷雾干燥制粒，然后在模具中压制成形，得到具有碳化硅压坯，如图1、图2所示；

2) 将质量组成为70%硅粉、5%碳化硅粉末和25%氮化硼粉末混合均匀后，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯；

3) 将碳化硅压坯和熔渗剂压坯叠放在一起，在真空度为4×10^-1Pa的真空炉中，升温到1550℃进行烧结保温1 h，得到反应烧结碳化硅；

4) 将烧结碳化硅表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到反应烧结碳化硅瓷片。

如图3所示，一种利用上述方法制得的反应烧结碳化硅瓷片制作的防弹插板，由2个直角梯形的第一瓷片1、4个矩形的第二瓷片2和16个正方形的第三瓷片3构成；三种瓷片采用不同模具压制成形，其它工艺条件不变第一瓷片的底边长度分别为a和2a，垂直于底边的腰长为2a；第二瓷片的长边长为2a，短边长为a；第三瓷片的边长为2a；所述的瓷片布置为五行，最上方一行中间为两个第三瓷片，两侧为各一个第一瓷片，第二行中间为三个第三瓷片，两侧为各一个第二瓷片；第三行为四个第三瓷片；第四行中间为三个第三瓷片，两侧为各一个第二瓷片；第五行为四个第三瓷片；各个瓷片粘接在一个基板上。

实施例2

1) 将质量组成为碳化硼粉体85%、炭黑粉末5%、石蜡溶液10%的原料混合均匀后，经喷雾干燥制粒，然后在模具中压制成形，得到碳化硼压坯；

2) 将质量组成为65%硅粉、3%碳化硅粉末和32%氮化硼粉末混合均匀后，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯；

3) 将碳化硼压坯和熔渗剂压坯叠放在一起，在真空度为1×10^-1 Pa的真空炉中，升温到1550℃进行烧结保温1 h，得到反应烧结碳化硼；

4) 将烧结碳化硼表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到反应烧结碳化硼瓷片。

实施例3

1) 将质量组成为碳化硅粉体80%、炭黑粉末10%、酚醛树脂溶液10%的原料混合均匀后，经喷雾干燥制粒，然后在模具中压制成形，得到碳化硅压坯；

2) 将质量组成为70%硅粉、8%碳化硅粉末和22%氮化硼粉末混合均匀后，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯；

3) 将碳化硅压坯和熔渗剂压坯叠放在一起，在真空度为3×10^-1 Pa的真空炉中，升温到1650℃进行烧结保温3 h，得到反应烧结碳化硅；

4) 将烧结碳化硅表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到反应烧结碳化硅瓷片。

实施例4

1) 将质量组成为碳化硼粉体85%、炭黑粉末5%、聚乙烯醇10%的原料混合均匀后，经喷雾干燥制粒，然后在模具中压制成形，得到碳化硼压坯；

2) 将质量组成为70%硅粉、3%碳化硅粉末和27%氮化硼粉末混合均匀后，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯；

3) 将碳化硼压坯和熔渗剂压坯叠放在一起，在真空度为1×10^-1 Pa的真空炉中，升温到1500℃进行烧结保温1 h，得到反应烧结碳化硼；

4) 将烧结碳化硼表面的熔渗剂残留物轻敲后去除，得到反应烧结碳化硼瓷片。

实施例2-4所制得的陶瓷片同样可拼接成实施例1所述的防弹插板。

以上四个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明的技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。