金屬強化陶瓷板及其製備方法
2023-05-30 16:02:36 2
金屬強化陶瓷板及其製備方法
【專利摘要】本發明提供一種金屬強化陶瓷板及其製備方法。本發明所提供的金屬強化陶瓷板含有增強金屬網、由陶瓷粉末熔膠形成的基體和玻璃粉助燒劑。本發明所提供的金屬強化陶瓷板的金屬增強相在陶瓷基體中分布均勻，材料性能可控性好，並且本發明的金屬強化陶瓷板的生產工藝更為簡單、原料成本更低、產品性能更穩定，可以在一定範圍內通過加減金屬網的種類與數量方便的調節產品的力學性能和密度，達到對產品性能的精確預測與控制。
【專利說明】金屬強化陶瓷板及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合型陶瓷板及其製備方法，特別是一種金屬強化陶瓷板及其製備方法。
【背景技術】
[0002]工程材料有各種不同的分類方法，比較科學的方法是根據材料的本性或材料結合鍵的性質進行分類。一般地，工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和複合材料四大類。
[0003]金屬材料是最重要的工程材料，它包括金屬和以金屬為基的合金。由於金屬構成原子之間的結合鍵基本上是金屬鍵，所以金屬材料皆為金屬晶體，導電、導熱、延展性都很好。金屬材料具有良好的加工性能，可以通過衝壓、車削、焊接等多種方式進行加工，並且可以根據需要調整化學成分和熱處理方式得到人們需要的各種產品。而且金屬材料的可靠性較好，生產工藝成熟，產品性能穩定，所以是最重要的工程材料。
[0004]陶瓷材料具有硬度高，化學成分穩定，抗腐蝕、耐高溫等優點，但其缺點是質脆，經不起熱衝擊。而且陶瓷材料的可靠性不如金屬材料。陶瓷材料具有脆性高、韌性不好和後加工困難等缺點，所以在很大程度上限制了陶瓷材料的應用範圍。
[0005]以往也有過陶瓷一金屬複合材料方面的研究。比如金屬基陶瓷複合物材料,通過向金屬基體中增加陶瓷相提高金屬的硬度和耐磨性能，金屬纖維增強陶瓷複合材料，通過在陶瓷中增加金屬纖維或晶須增加陶瓷的韌性、抗衝擊性能等等。添加的方式通常是將增強相混入基體原料中或在原料中添加能產生增強相的原料通過原位反應生成細小的增強相。但是以往的技術都存在增強相在基體中分布不均勻，材料性能可控性不好等現象。而且原料價格較高，限制了產品的生產規模和應用範圍。
[0006]金屬和陶瓷材料在防彈領域的應用情況與一般情況基本一致。金屬防彈材料的加工性能好、強度性能穩定、易於安裝和檢修、韌性好、抗多次擊打能力好。但硬度低、高溫強度差、密度高、重量大、不耐腐蝕。陶瓷材料具有硬度好、密度小、抗壓強度高、高溫強度高、彈性模量高、化學穩定性好、耐腐蝕等優點，但同樣也有形狀加工困難、性能不穩定、脆性高、韌性差、抗多次擊打能力較弱的缺點。只有將上述兩類材料複合起來才能達到優勢互補，充分發揮陶瓷硬度高、密度小，金屬韌性好、抗多次擊打能力強的特點，從而得到重量輕、防彈效果好又抗多次擊打的新型防彈材料。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於克服上述現有技術中的不足，提供一種增強相在基體中分布均勻、材料性能可控性好的金屬強化陶瓷板。
[0008]本發明的另一個目的是提供上述金屬強化陶瓷板的製備方法。
[0009]本發明的目的是採用以下技術方案來實現的。
[0010]一方面，本發明提供一種金屬強化陶瓷板，該陶瓷板是通過一個燒制步驟來製備的，所述陶瓷板含有增強金屬網、由陶瓷粉末熔膠形成的基體和玻璃粉助燒劑。
[0011]優選地，所述的增強金屬網為編織金屬網或焊接金屬網。這兩種金屬網可以為金屬強化陶瓷板提供與其金屬絲平行的二維拉力約束。為了增加厚度方向的增強效果可以使用焊接或者綑紮的方式使幾層金屬網形成三維立體結構，從而達到三個方向的增強效果。
[0012]優選地，所述增強金屬網的材料可以選用各種金屬或者合金，例如碳鋼、不鏽鋼、欽、鎮等等。
[0013]優選地，所述陶瓷粉末選用碳化硼、碳化矽、氧化鋁或其它高硬度的陶瓷材料。使用時根據對產品的硬度、防彈性能、重量和成本要求進行選擇。
[0014]優選地，所述玻璃粉助燒劑的添加量為所述金屬強化陶瓷材料總重量的10-50%。玻璃粉材料可以根據增強金屬網和陶瓷粉末的情況進行選擇，以保證良好的膨脹係數匹配、良好的化學穩定性和良好的浸潤效果。
[0015]另一方面，本發明提供一種金屬強化陶瓷板的製備方法，所述方法包括以下步驟:
I)選擇合適的原材料，按比例混合成為陶瓷原料。
[0016]2)選擇合適的金屬增強材料， 並裁減、綑紮或者焊接成略小於目標產品的尺寸。
[0017]3)使用模具成型。
[0018]4)使用窯爐熱處理。
[0019]選擇原料時需要根據產品的性能要求、成本約束選擇合適的原料種類；根據產品的規格尺寸選擇合適的陶瓷材料粒度組成和增強金屬網的規格、尺寸。材料的選擇以保證產品性價比和可加工性的優化為目的。
[0020]優選地，步驟3)中所述的模具成型方式選用常溫振搗澆鑄、模具壓制、高溫熱壓澆鑄中的一種，目的是得到規定尺寸的密實程度較高的產品。如果採用常溫成型工藝，為保證生坯強度需要添加適當的粘結劑，常見的酚醛樹脂、纖維素、石蠟、聚乙烯醇等粘結劑都可以使用。
[0021]優選地，步驟4)所述熱處理過程中的最高燒結溫度在700-1300°C之間。可以根據最高燒結溫度助燒劑的種類和加入量，以保證產品加工工藝的可行性。最高燒結溫度主要由增強金屬網的種類和性能決定，避免燒結溫度過高導致增強金屬網材料的損壞和性能下降。
[0022]優選地，步驟4)中所述窯爐選用電阻爐、感應爐或其它能達到燒結溫度的窯爐中的一種。
[0023]本發明通過向陶瓷粉末中加入玻璃粉等助燒劑的方式降低陶瓷基體的整體燒結溫度。利用助燒劑在較低溫度產生的液相加速陶瓷基體的燒結過程。一方面，助燒劑在較低的溫度下就可以產生大量的液相，加速傳熱與傳質過程，加快其它陶瓷材料的燒結過程；另一方面，單獨的玻璃相也可以起到粘接其它陶瓷顆粒的作用。同時玻璃產生的液相可以包裹在增強金屬網的表面，有助於防止燒結過程中增強金屬網的氧化。玻璃的膨脹係數介於其它陶瓷顆粒和金屬材料之間，也有助於陶瓷基體和增強材料間的結合界面的良好過渡。實現低溫燒結是獲得本發明金屬強化陶瓷板的重要前提。
[0024]本發明採用上述技術方案後所能達到的有益效果是:
一、相對於以往使用金屬纖維或晶須進行增強的產品和方法來說，使用增強金屬網增強陶瓷材料，其生產工藝更為簡單、原料成本更低、產品性能更穩定，並且可以在一定範圍內通過加減金屬網的種類與數量方便的調節產品的力學性能和密度，達到對產品性能的精確預測與控制。由於使用增強金屬網代替了晶須或纖維，所以在產品製造過程中成功規避了由於由於添加晶須或纖維引起的混料不勻現象，增強相的加入數量也有所擴大，產品的性能參數可以在更大的範圍內進行調節。金屬網可以是二維的，也可以是三維的，生產中可以通過調整增強金屬網的種類、數量和組合方式控制最終產品的力學性能，可以方便的實現產品的各向異性。這對於製作防彈材料尤為有利，可以通過調整增強金屬網的分布狀態強化防彈材料抗打擊區的強度而不必為改變其它方向的強度增加額外的費用。
[0025]二、由於本發明產品的結構決定，可以將金屬增強材料完全包覆在陶瓷材料之內。通過較好的燒結條件可以使陶瓷材料的孔隙率降得很低，特別是可以深入到材料內部的聯通氣孔率非常低，所以加工完畢後金屬增強材料在產品中不會直接接觸到水、空氣、鹽分等常見的腐蝕性介質。加上陶瓷材料良好的化學穩定性，產品對其它強腐蝕介質都具有非常好的耐受力。這會極大地提高產品的使用壽命，延長檢修周期。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明實施例1所得的鋼強化碳化矽板的X光檢測圖。
【具體實施方式】
[0027]實施例1
選用碳化矽為主要陶瓷材料，玻璃粉為助燒劑，低碳鋼焊接金屬網為金屬增強材料，熱壓製備200X200X12mm的產品，將F46、F230、F1200規格的碳化矽粉末、玻璃粉按5:2:1:2的比例均勻混合，後加入聚乙烯醇水溶液調成具有一定流動性的料漿。在振搗平臺上放置模具，並將製作好的金屬網放入其中。在振搗狀態下加入料漿，使料漿充滿金屬網間的空隙，並將料漿中的空氣儘可能排出。將模具放入烘箱120°C乾燥。待生坯完全乾燥後將其從模具中取出。將乾燥好的生坯放入熱壓爐中進行熱壓燒結。所得金屬增強材料佔比為10%時，所得產品的密度為3.5g/cm3。`
[0028]實施例2
選用碳化矽為主要陶瓷材料，玻璃粉為助燒劑，低碳鋼焊接金屬網為金屬增強材料，熱壓製備300 X 300 X 80mm產品。將F46、F230、F1200碳化矽陶瓷粉末、玻璃粉按3:2:1:4的比例均勻混合。坩堝中加熱到1100-1200°C。將裁剪、綑紮好的低碳鋼金屬網在模具中固定好，再將流體狀態的原料澆鑄到其中，自然冷卻。
[0029]雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬【技術領域】的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與改進，因此本發明的保護範圍當視權利要求所界定者為準。
【權利要求】
1.一種金屬強化陶瓷板，該陶瓷板是通過燒制製備的，所述陶瓷板含有增強金屬網、由陶瓷粉末熔膠形成的基體和玻璃粉助燒劑。
2.根據權利要求1所述的金屬強化陶瓷板，其中: 所述的增強金屬網為編織金屬網或焊接金屬網。
3.根據權利要求1或2所述的金屬強化陶瓷板，其中: 所述的增強金屬網為三維立體結構。
4.根據權利要求1或2所述的金屬強化陶瓷板，其中: 所述增強金屬網的材料選用碳鋼、不鏽鋼、鈦、鎳中的一種或幾種。
5.根據權利要求1或2所述的金屬強化陶瓷板，其中: 所述陶瓷粉末選用碳化硼、碳化矽、氧化鋁或其它高硬度的陶瓷材料中的一種或幾種。
6.根據權利要求1或2所述的金屬強化陶瓷板，其中: 所述玻璃粉助燒劑的添加量為所述金屬強化陶瓷板材料總重量的10-50%。
7.一種金屬強化陶瓷板的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)選擇合適的原材料，按比例混合成為陶瓷原料； 2)選擇合適的金屬增強材料，並裁減、綑紮或者焊接成略小於目標產品的尺寸； 3)使用模具成型；` 4)使用窯爐熱處理。
8.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於:步驟3)中所述的模具成型方式選用常溫振搗澆鑄、模具壓制、高溫熱壓澆鑄中的一種。
9.根據權利要求7或8所述的製備方法，其特徵在於:步驟4)所述熱處理過程中的最高燒結溫度在700-1300°C之間。
10.根據權利要求7或8所述的製備方法，其特徵在於:步驟4)中所述的窯爐選用電阻爐、感應爐或其它能達到燒結溫度的窯爐中的一種。
【文檔編號】C04B35/76GK103771892SQ201410000256
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】王彥順 申請人:大連金瑪硼業科技集團有限公司