一种复合陶瓷防弹材料及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及防弹材料领域，更具体地说，它涉及一种复合陶瓷防弹材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种高性能无机非金属陶瓷材料，具有硬度高、耐高温、耐氧化、抗热震性、导热性好等优点，在石油、冶金、化工、机械、国防、航空航天等领域得到了广泛应用。但是碳化硅(SiC)陶瓷用于防弹板材料的制作时，制成的防弹板防多发弹的性能较差，子弹打靶时，破碎面较大，限制了碳化硅(SiC)陶瓷在防弹材料领域的应用。

氮化硅(Si

相关技术中，碳化硅和氮化硅结合制作复合陶瓷材料时，由于反应过程中氮化硅含量利用率不高，导致制成的复合陶瓷材料也无法利用氮化硅的性能来改善碳化硅的缺陷，硬度和韧性相对较差，制成的防弹板的防弹性能提高程度也较小。

发明内容

为了充分利用氮化硅的优势，改善目前碳化硅陶瓷制备中存在的硬度较低、韧性较差等问题，提高防弹板的防弹性能，本申请提供一种复合陶瓷防弹材料及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种复合陶瓷防弹材料，采用如下的技术方案：

一种复合陶瓷防弹材料，包括碳化硅-氮化硅造粒粉，所述碳化硅-氮化硅造粒粉包括以下质量百分比的原料：

碳化硅微粉10％～50％；

氮化硅10％～70％；

碳黑0.5％～8％；

石墨0.5％～8％；

碳化硼1％～20％；

粘结剂5％～20％；

硅烷偶联剂0.5％～2％。

通过采用上述技术方案，在硅烷偶联剂的作用下，粘结剂和碳黑包裹在氮化硅的表面，较大程度上减少了氮化硅与熔融硅的反应，减少烧结过程中氮化硅组分被溶蚀的情况，从而保持反应过程中氮化硅的含量稳定，充分利用氮化硅的长柱状结构优势，对碳化硅增强增韧，同时引入碳化硼，在高温渗硅过程中，均匀分散在残留的硅中，形成固溶强化硅，进一步提高了防弹材料的力学性能，因此，制得的复合陶瓷防弹板硬度提高、韧性增强，防弹性能也有大幅度提高。

可选的，所述碳化硅-氮化硅造粒粉包括以下质量百分比的原料：

碳化硅微粉20％～35％；

氮化硅35％～50％；

碳黑5％～5.5％；

石墨3％～4％；

碳化硼6％～10％；

粘结剂10％～15％；

硅烷偶联剂0.5％～1％。

通过采用上述技术方案，以上配比范围的原料选择，对于复合陶瓷防弹材料的硬度和韧性有较大的提升作用，进而提高了防弹板的防弹性能。

可选的，所述碳化硅微粉的粒度为8～15μm，所述氮化硅的粒度为3～10μm。

通过采用上述技术方案，采用上述粒度范围的碳化硅微粉和氮化硅的组合，制得的复合陶瓷防弹板的体积密度范围较优，具有较高的硬度和韧性。

可选的，所述碳化硅微粉的粒度为10μm，所述氮化硅的粒度为5μm。

通过采用上述技术方案，采用上述粒度的碳化硅微粉和氮化硅的组合，制得的复合陶瓷防弹板的体积密度范围最优，具有较高的硬度和韧性。

可选的，所述碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度为0.075～0.42mm。

通过采用上述技术方案，制成上述粒度范围的碳化硅-氮化硅造粒粉，在制作复合陶瓷防弹板的过程中松装密度较大，制成的复合陶瓷防弹板硬度、韧性较高，防弹板的防弹性能也较优。

可选的，所述粘结剂为酚醛树脂，酚醛树脂的粘度为800～1000MPa·s。

通过采用上述技术方案，采用此规格的酚醛树脂作为粘结剂，能均匀分散在物料中，在各原料之间具有较好的粘结性，成型后烘干具有很好的定型作用，能有效提升压制过程中的成品率，减少产品变形，提升产品质量。

可选的，所述碳黑、石墨、碳化硼的粒度为0.5～5μm。

通过采用上述技术方案，对各原料的粒度进行有效范围的控制，有助于各原料的结合与产品性能的提升，若反应过程中各组分粒度过大，则影响产品性能，若各组分粒度过小，则难以分散和成型。

第二方面，本申请提供一种复合陶瓷防弹材料的制备方法，包括以下步骤：取碳化硅微粉、氮化硅、粘结剂、碳黑、石墨、碳化硼、硅烷偶联剂混合均匀，得混合物，向混合物中加入去离子水和质量浓度为25％～28％的氨水混合均匀，混合物与去离子水的质量比为(2:3)～(3:2)，氨水与去离子水的体积比为(1～2)：1000，球磨10～20h，喷雾造粒，即得碳化硅-氮化硅造粒粉。

通过采用上述技术方案，各原料先混合均匀，再加入去离子水和氨水，便于各原料更好的预结合；喷雾造粒得到的造粒粉粒度更均匀。

第三方面，本申请提供一种复合陶瓷防弹材料的应用，采用如下的技术方案：一种复合陶瓷防弹材料的应用，按照以下步骤制得复合陶瓷防弹板：

(1)压制：将碳化硅-氮化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅-氮化硅造粒粉，压制成防弹板坯体，压制的压力为15～20MPa，保压时间10～20s；

(2)干燥：将压制成的防弹板坯体在70～80℃下干燥12～24h；

(3)烧结：将干燥后的防弹板坯体置于真空环境下，升温至1400～1600℃，进行保温烧结，烧结时间为60～180min，烧结完成后通入氮气降温，之后自然降温至100℃以下，即可制得复合陶瓷防弹板。

通过采用上述技术方案，在上述压制条件下，材料内部游离硅含量减少，反应烧结过程中硅与碳在高温1400℃以上、真空条件下反应生成β-碳化硅相，生成的β-碳化硅与坯体中原有的α-碳化硅、氮化硅和碳化硼相结合，而游离的硅填充了气孔，制得的防弹板硬度提高、韧性增强，防弹板的防弹性能也有大幅度提高，尤其是防多发弹的能力具有较大提升。

可选的，烧结过程中升温速率为2～30℃/min。

通过采用上述技术方案，烧结过程中防弹板成型均匀，制得的防弹板体积密度较高，硬度和韧性也达到较高水平，防弹板的防弹性能也较高。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、碳化硅-氮化硅造粒粉的制备过程中，通过各原料和配比的结合，能够有效提升复合陶瓷防弹板的体积密度、硬度和韧性，防弹板的防弹性能也显著提升。

2、本申请中采用碳化硅-氮化硅造粒粉进行压制、干燥、烧结制得防弹板，替代原始的拼接法成型生产方式，生产效率高、成本低。

3、本申请中采用碳化硅-氮化硅造粒粉进行压制、干燥、烧结制得防弹板，适用于连续化生产，制得的防弹板防弹性能好且尺寸均匀统一，有效提高了产品质量。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特殊说明的是：以下实施例中未注明具体条件者按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

酚醛树脂，固含量74％。

硅烷偶联剂选取A-614，购自南京轩浩新材料科技有限公司。

液压成型机，购自佛山市南海区迈驰机械制造有限公司，型号YS600-1200。

真空烧结炉，购自沈阳沈真真空技术有限责任公司，型号为VQS系列高温真空烧结炉。

实施例

实施例1

一种复合陶瓷防弹材料，包括碳化硅-氮化硅造粒粉，该碳化硅-氮化硅造粒粉包括以下原料：碳化硅微粉、氮化硅、碳黑、石墨、碳化硼、粘结剂、硅烷偶联剂，其中粘结剂选用酚醛树脂，各原料的用量和规格、碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度详见表1。

一种复合陶瓷防弹材料的制备方法，包括以下步骤：按照配比取上述各原料混合均匀，制得混合物；然后向混合物中加入去离子水和氨水混合均匀，经球磨、喷雾造粒，即可制得碳化硅-氮化硅造粒粉。氨水的质量浓度、混合物与去离子水的质量比、氨水与去离子水的体积比详见的体积比、球磨时间详见表1。

一种复合陶瓷防弹材料的应用，按照以下步骤制得复合陶瓷防弹板：

(1)压制：将上述制得的碳化硅-氮化硅造粒粉填入模具中，刮去多余的碳化硅-氮化硅造粒粉，通过液压成型机将其压制成防弹板坯体，压制压力和保压时间详见表1。

(2)干燥：将压制成的防弹板坯体进行干燥，干燥温度和时间详见表1。

(3)烧结：将干燥后的防弹板坯体置于真空烧结炉中，在真空环境下，升温，进行保温烧结，烧结完成后通入氮气降温，之后自然降温至100℃以下，即可制得复合陶瓷防弹板。烧结过程中的升温速率、烧结温度、烧结时间详见表1。

最后对复合陶瓷防弹板进行除砂、磨削、喷砂的清理修整工作。

以上过程中，参照专利公告号为CN202869368U公开的一种整体多弧面防弹板进行最终产品的制备，采用专利公告号CN203636954U公开的一种整体多弧面陶瓷防弹板压制成型模具，压制采用专利公告号为CN207736496U公开的一种整体多弧面防弹板压制模具用布料工装，干燥采用专利公告号为CN207501650U公开的一种整体多弧面防弹干燥装置。

实施例2～实施例6

以下实施例与实施例1的区别在于，碳化硅-氮化硅造粒粉的原料规格及配比、制备碳化硅-氮化硅造粒粉的工艺条件、制备氮化硅-碳化硅复合陶瓷防弹板的工艺条件有所不同，详见表1。

表1

实施例7

本实施例与实施例2的区别在于：碳化硅微粉粒度、氮化硅粒度不同，本实施例中碳化硅微粉粒度为20μm，氮化硅粒度为15μm。

实施例8

本实施例与实施例2的区别在于：碳化硅微粉粒度、氮化硅粒度不同，本实施例中碳化硅微粉粒度为5μm，氮化硅粒度为1μm。

实施例9

本实施例与实施例2的区别在于：碳黑、石墨、碳化硼粒度不同，本实施例中碳黑、石墨、碳化硼的粒度均为8μm。

实施例10

本实施例与实施例2的区别在于：碳黑、石墨、碳化硼粒度不同，本实施例中碳黑、石墨、碳化硼的粒度均为100nm。

实施例11

本实施例与实施例2的区别在于：粘结剂采用聚乙烯醇。

实施例12

本实施例与实施例2的区别在于：酚醛树脂的粘度不同，本实施例中酚醛树脂的粘度为1200MPa·s。

实施例13

本实施例与实施例2的区别在于：酚醛树脂的粘度不同，本实施例中酚醛树脂的粘度为600MPa·s。

实施例14

本实施例与实施例2的区别在于：碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度不同，本实施例中碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度为0.8mm。

实施例15

本实施例与实施例2的区别在于：碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度不同，本实施例中碳化硅-氮化硅造粒粉的粒度为0.025mm。

对比例

对比例1

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无氮化硅、硅烷偶联剂、碳化硼，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与氮化硅、硅烷偶联剂、碳化硼在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例2

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无氮化硅、硅烷偶联剂，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与氮化硅、硅烷偶联剂在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例3

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无氮化硅、碳化硼，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与氮化硅、碳化硼在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例4

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无硅烷偶联剂、碳化硼，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与硅烷偶联剂、碳化硼在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例5

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无氮化硅，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与氮化硅在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例6

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无硅烷偶联剂，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与硅烷偶联剂在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例7

本对比例与实施例2的区别在于：本对比例中无碳化硼，增加碳化硅微粉的用量，且碳化硅微粉的增加量与碳化硼在实施例2中的用量相同，各原料配比详见表2。

对比例8

本对比例与实施例2的区别在于：压制过程中的压力和保压时间不同，压制压力为10MPa，保压时间20s。

对比例9

本对比例与实施例2的区别在于：压制过程中的压力和保压时间不同，压制压力为30MPa，保压时间8s。

表2部分实施例和对比例中碳化硅-氮化硅造粒粉各原料配比

性能检测试验

检测方法/试验方法

取上述各实施例和对比例制得的复合陶瓷防弹板，进行以下检测，检测结果详见表3。

1、密度检测：参照“GB/T 25995-2010精细陶瓷密度和显气孔率试验方法”，进行体积密度的检测。

2、维氏硬度：参照“GB/T 16534-2009精细陶瓷室温硬度试验方法”，进行维氏硬度的检测。

3、断裂韧性：参照“GB/T 23806-2009精细陶瓷断裂韧性试验方法单边预裂纹梁(SEPB)法”，桥压法预制裂纹，采用四点弯曲，试样类型选择试样Ⅱ。

4、弯曲强度：参照“GB/T 6569-2006精细陶瓷弯曲强度试验方法”，四点弯曲，夹具选用四点1/4弯曲结构。

5、防弹等级：参照“NIJ 0101.06《Ballistic Resistance of Personal BodyArmor》”，选择符合NIJ标准中不同防弹等级的防弹衣，如杜邦公司的凯夫拉防弹衣，将复合陶瓷防弹板粘贴到与其防弹等级大致相匹配的防弹衣的相应位置上，确保复合陶瓷防弹板与防弹衣之间没有空隙或疏松部位，之后按照NIJ标准进行测试，得到复合陶瓷防弹板的具体防弹等级。

表3

结合实施例1-6和对比例1并结合表3可以看出，实施例1-6中，各实施例的区别在于各原料配比用量不同，实施例2与对比例1的区别在于对比例1无氮化硅、硅烷偶联剂、碳化硼，而是用碳化硅微粉替代上述物质的用量。由实验结果来看，实施例1-6制得的复合陶瓷防弹板的性能要比对比例1高很多，且实施例1-6中由于配比不同，实施例2、3、4制得的复合陶瓷防弹板的性能要比实施例1、5、6高很多。

结合实施例2、对比例1-7并结合表3可以看出，与实施例2相比，对比例1-7中未添加氮化硅、硅烷偶联剂、碳化硼中的一种或几种，并且用碳化硅微粉去替代这些物质的用量。由实验结果来看，实施例2制得的复合陶瓷防弹板的性能最高，究其原因，主要在于实施例2中有氮化硅、硅烷偶联剂、碳化硼的复配，与其他各原料结合，能够有效提高碳化硅陶瓷的硬度和韧性，提高复合陶瓷防弹板的防弹性能。

结合实施例2、7、8并结合表3可以看出，碳化硅微粉的粒度、氮化硅的粒度控制在一定范围内时，对复合陶瓷防弹板性能的提高具有较大贡献。

结合实施例2、9、10并结合表3可以看出，碳黑、石墨、碳化硼粒度控制在一定范围内时，对复合陶瓷防弹板性能的提高具有较大贡献。

结合实施例2、11、12、13并结合表3可以看出，粘结剂的选择和粘度规格的控制，对复合陶瓷防弹板性能的提高具有较大贡献。

结合实施例2、14、15并结合表3可以看出，碳化硅-氮化硅造粒粉粒度的控制，对复合陶瓷防弹板性能的提高具有较大贡献。

结合实施例2、对比例8、对比例9并结合表3可以看出，当压制压力过大时，生坯密度过大、反应烧结渗硅通道受阻，导致坯体内部有残碳，从而使复合陶瓷防弹板密度、硬度、韧性和弯曲强度性能降低，防弹板的防弹等级也降低；压制压力过小时，由于生坯密度低，导致材料内部游离硅含量增大，从而至复合陶瓷防弹板的体积密度减小，且复合陶瓷防弹板的硬度、韧性、弯曲强度性能都有所下降，防弹板的防弹等级也降低。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。