碳化硅防弹陶瓷

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1、引言

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。

氧化铝因其成本低而在防弹上得到更广泛的应用，但其防弹等级最低、密度也最大；碳化硼防弹性能最好、密度最小, 但其价格最为昂贵；碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于二者之间，因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。低成本化与高性能化是实现这种升级换代的必然途径。

碳化硅防弹陶瓷可以通过不同生产工艺进行生产。主要有反应烧结工艺、热压烧结工艺、无压烧结制备等。

2、常规碳化硅防弹陶瓷制备方法

2.1 反应烧结防弹陶瓷

2.1.1陶瓷压坯制备

将陶瓷粉体80-90%（由碳化硅粉末和碳化硼粉末的一种或两种粉末组成）、碳源粉末3-15%（由炭黑、酚醛树脂的一种或两种组成）和成型剂5-15%（为酚醛树脂、聚乙二醇、羟甲基纤维素或石蜡）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。

2.1.2烧结熔渗剂压坯制备

将硅粉60-80%、碳化硅粉3-10%和氮化硼粉37-10%混合均匀，在模具中压制成形得到烧结熔渗剂的压坯。

2.1.3反应烧结陶瓷产品制备

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1-3h，得到反应烧结陶瓷产品。

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。

2.1.4碳化硅木质陶瓷的制备

采用反应烧结的工艺, 即: 高温下具有反应活性的液相硅或硅合金, 在毛细管力的作用下渗入含有碳多孔陶瓷素坯中, 并与其中的碳反应生成碳化硅, 生成碳化硅会发生体积膨胀, 剩余的孔隙被单质硅填充。多孔陶瓷素坯可以是纯碳或碳化硅/碳基复合材料, 前者是将有机树脂、孔形成剂及溶剂混合后催化固化并将其热解得到多孔碳, 后者是将碳化硅颗粒/树脂基复合材料热解得到碳化硅/碳基复合材料, 或者以 α-SiC 、碳粉为起始原料, 采用压制或注浆成型的工艺得到该复合材料。

2.2 固相烧结碳化硅防弹陶瓷制备方法

2.2.1原料的混合

按重量百分比将亚微米级α碳化硅（200-500nm）70-90%、碳化硼0.1-5%、树脂4-20%、有机物粘结剂5-20%，放入混料机中加入纯水进行湿法混合，6-48小时后将混合好的料浆过60-120目筛。

2.2.2喷雾造粒

将过筛后的料浆通过喷雾造粒塔进行喷雾造粒，喷雾造粒塔的进口温度180-260℃，出口温度60-120℃；造粒后的物料松装密度为0.85-0.92g/cm³ ，流动性为8-11s/30g；将造粒后的物料过60-120目筛后备用。

2.2.3成型

根据所需制品形状选取模具，将上述造粒后的物料装入模具型腔内，在50-200MPa压力进行常温模压成型，得生坯；或将模压成型后的生坯再放入等静压设备中，以200-300MPa压力进行等静压，得二次压制后的生坯。

2.2.4真空烧结

将上述步骤制备出的生坯，放入真空烧结炉中进行烧结后，检验合格的即为碳化硅防弹陶瓷成品；上述烧结过程中，首先对烧结炉进行抽真空，当真空度达到3-5×10-2Pa后，向烧结炉内通惰性气体至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：室温至800℃、5-8小时，保温0.5-1小时，从800℃至2000-2300℃、6-9小时，保温1到2小时，之后随炉冷却，降至室温出炉。

2.3 无压烧结碳化硅防弹陶瓷制备方法

2.3.1混料球磨

将碳化硅超细粉（50-500nm）96-99 份，碳化硼超细粉（50-500nm）1-2 份，纳米级硼化钛(30-80nm)0.2-1份，水溶性酚醛树脂10-20 份，高效分散剂0.1-0.5份加入到球磨机中进行球磨混料24小时，将混合好的浆料放入搅拌桶中进行搅拌2小时以排除浆料中的气泡。

2.3.2喷雾造粒

将上述混合料喷入造粒塔内，通过控制喷雾压力、进风温度、出风温度、喷片粒径获得颗粒形态好、流动性好、颗粒分布范围窄、水分适中的造粒粉，离心变频26-32，进风温度250-280℃，出风温度100-120℃，进浆压力40-60。

2.3.3干压成型

将上述造粒粉置于硬质合金模具内进行压制得到生坯，压制方式为双向加压，机床压力吨位为150-200吨。

2.3.4生坯固化

将压制好的生坯放入干燥箱中进行干燥固化，得到生坯强度较好的生坯。

2.3.5真空烧结

将上述固化好的生坯置于石墨坩埚中紧密排列整齐，然后将装好生坯的石墨坩埚放入高温真空烧结炉中进行烧制，烧成温度为2200-2250℃，保温时间为1-2小时，最终制得高性能无压烧结碳化硅防弹陶瓷。

3、总结

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。

碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于碳化硼和氧化铝陶瓷之间, 因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。低成本化与高性能化是实现这种升级换代的必然途径。

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