一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法
2023-05-02 21:54:56 3
一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法
【專利摘要】本發明公開了一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，包括以下步驟：(1)將各種原料按照配方比例放入混料製漿設備，各種原料由固態A料和液態B料組成，所述固態A料包括以下重量百分比的各組分：碳化硼粉75～97wt％，燒結助劑0～15.0wt％，碳源1.0～12.0wt％，粘接劑0.5-6.0wt％，分散劑0.5-6.0wt％，以上各組分重量之和為100％；所述B料為去離子水，所述A料和B料混合球磨或高速攪拌製成漿料，所述漿料的固含量為30～70wt％；所述燒結助劑採用納米級到微米級ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB2中的一種或一種以上；該方法具有單爐產能高、自動化程度高、產品無需磨加工、成本低、適宜批量生產等特點，實現了低成本化批量穩定生產。
【專利說明】一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法。
【背景技術】
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[0002]在國防領域，防彈陶瓷材料主要有碳化硼(B4C)、碳化矽(SiC)和氧化鋁(Al2O3)三種，其中B4C重量最輕，比模量高，彈道性能好，是綜合性能最好的防彈陶瓷材料。但由於長期沒有解決無壓燒結製備工藝，目前均採用熱壓燒結法製備，成本和價格十分昂貴。正因為價格昂貴，目前B4C防彈陶瓷僅有限應用於高端防護市場，如直升機、潛艇、衝鋒舟和殲擊機等裝備的防護系統中。現有的信息表明，目前發達國家在防彈陶瓷產品上已開始普遍使用碳化硼，但是對我國實行嚴密地封鎖。
[0003]碳化硼是自然界中硬度僅次於金剛石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔點、高模量、比重小、自潤滑性好、耐磨、耐酸鹼腐蝕、耐輻射、吸收中子等特點，是一種綜合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端防彈裝甲材料、高端液氣密封材料、航天航空發動機噴頭、高端陶瓷軸承、研磨介質、硬質材料的拋光和精研磨料等方面具有重要應用。另外，碳化硼陶瓷在核電反應堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，是一種重要的國家戰略物資。
[0004]碳化硼結構中的共價鍵極強，晶界阻力大，是一種極難燒結陶瓷材料，常規的無壓燒結法只能達到80%左右的緻密度，所得碳化硼陶瓷性能差，無法滿足實用要求。為了提高碳化硼陶瓷的燒結緻密度和性能，通常採用熱壓燒結法和反應燒結法。
[0005]熱壓燒結法是指在高溫燒結過程中加載高壓，促進碳化硼燒結緻密化的方法。熱壓燒結法所制產品性能好，但自動化程度低、燒結成本高，單爐產能低，難以規模化生產。而且所制產品的所有表面都固結一層石墨紙，需要較大餘量的磨加工，尤其對於一些小尺寸、多面體、曲面等形狀的產品，磨加工成本極高。
[0006]反應燒結法是指以碳和碳化硼等組分形成坯體，在燒結過程中，向坯體內滲入液體或氣體的金屬Si，部分Si和坯體中的碳反應生成碳化矽，其餘的Si滲滿坯體內的孔隙，實現緻密化。反應碳化硼陶瓷其實是碳化硼、碳化矽和游離矽的複合材料，機械性能較差，難以達到防彈片的性能需要。
[0007]在國家專利網上目前公開了一種高韌性無壓燒結碳化硼防彈材料及其製備方法，提到了無壓碳化硼防彈材料的製備方法，從其技術細節來看，其體系中加入了 5-15%酚醛樹脂作為粘接劑，將素坯直接放入無壓燒結爐中進行燒結。這種製備方法，在小批量實驗過程中，並不會出現明顯問題。但是加入的酚醛樹脂在無壓燒結過程中必然發生裂解和揮發。若進行大批量及多次燒結，大量的樹脂裂解產物將嚴重影響無壓燒結爐性能，無法保障進行正常燒結。這樣就存在以下幾個缺點(I)燒結爐內的碳氈等碳質保溫層會因大量裂解物的浸蝕，保溫性能急劇惡化；(2)真空泵系統因吸入大量粘稠的裂解物，極易卡死，且難以清理，無法保證真空泵穩定工作；(3)在燒結高溫階段，停止抽真空並充入氬氣保護燒結，但爐內(具體指碳質保溫材料和爐內冷卻層內壁)殘餘的裂解物生成大量氣體，引起爐內氣壓快速升高，導致紅外測溫系統所測溫度數據劇烈波動和偏離，無法獲得爐內真實溫度。以上三方面是該方法無法避免的重大缺陷，必將導致碳化硼大批量、多批次燒結的失敗，無法進行穩定生產。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是，提供一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片產品，獲得了成熟的碳化硼陶瓷防彈片批量化，具有單爐產能高、自動化程度高、產品無需磨加工、成本低、適宜批量生產等特點，實現了低成本化批量穩定生產的無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法。
[0009]本發明的技術方案是，提供一種具有以下步驟的無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，包括以下步驟:
[0010](I)將各種原料按照配方比例放入混料製漿設備，各種原料由固態A料和液態B料組成，所述固態A料包括以下重量百分比的各組分:
[0011 ] 碳化硼粉75?97wt %，
[0012]燒結助劑O?15.0wt %，
[0013]碳源1.0 ?12.0wt%，
[0014]粘接劑0.5-6.0wt %，
[0015]分散劑0.5-6.0wt %，
[0016]以上各組分重量之和為100% ;
[0017]所述B料為去離子水，所述A料和B料混合球磨或高速攪拌製成漿料，所述漿料的固含量為30?70wt% ；
[0018]所述燒結助劑採用納米級到微米級ZrC、TiC、SiC、A1N、TiB2中的一種或一種以上;
[0019](2)將步驟(I)所得漿料，利用噴霧乾燥造粒工藝製得造粒料；
[0020](3)將步驟(2)所製造粒料採用自動壓機快速批量化壓制防彈片素坯；
[0021](4)將步驟(3)所得的防彈片素坯放入脫粘爐內，抽真空，保持爐內真空度為10?lOOOPa，在400°C?900°C下保溫0.5?4h，脫去水分和有機質，得到防彈片坯體；
[0022](5)將步驟(4)所得防彈片坯體放入真空燒結爐內，抽真空，保持爐內真空度為10?lOOOPa，在1800°C以上高溫階段通入惰性保護氣體，在2000°C?2200°C保溫0.5?2h，隨爐冷卻，得到無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片。
[0023]步驟(I)中的製漿的設備採用乳化機或快速攪拌機或球磨機。
[0024]步驟⑴中的碳化硼粉中B4C彡95wt%，碳化硼粉的D5tlS LOym0
[0025]步驟(I)中的碳源為納米炭黑或有機轉換碳，碳源中C彡99wt%。
[0026]步驟⑴中的粘結劑採用糊精、聚乙烯醇、甲基纖維素中的一種或一種以上。
[0027]步驟(I)中的分散劑採用四甲基氫氧化銨、聚乙烯醇縮丁醛、氨水、正辛醇中的一種或一種以上。
[0028]採用上述步驟後，本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0029]1.本發明的製備方法具有單爐產能高、自動化程度高、產品無需磨加工、成本低、適宜批量生產等特點，且經過近一年批量生產的檢驗，工藝穩定成熟，相對於現有低效、昂貴的熱壓燒結工藝具有的明顯成本優勢。
[0030]2.本發明的無壓碳化硼陶瓷防彈片的技術成熟，產品緻密度和防彈性能好，首次實現了無壓碳化硼陶瓷防彈產品的規模化生產技術突破，可大大降低我國國防裝備的防護系統成本，促進碳化硼陶瓷防彈片的普及化應用，對提高我國國防裝備的整體防護水平具有重要戰略意義。
[0031]3、由於燒結助劑採用納米級到微米級ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB2等中的一種或一種以上，燒結助劑同時可有效提高產品斷裂韌性至3.5-5.0MPa.m1/2;再由於採用噴霧造粒工藝批量製備流動性好的造粒料，並採用自動壓機快速批量化壓制防彈片素坯，適應規模化生產需要；
[0032]再由於將素坯放入脫粘爐內進行預燒處理，脫除素坯中含有的水分和有機質，避免有機質影響無壓燒結過程，保障碳化硼陶瓷批量化穩定生產。
【具體實施方式】
[0033]下面結合對本發明的無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法作進一步說明。
[0034]下面通過具體實施例進一步詳細描述本發明，但本發明不僅僅局限於以下實施例。
[0035]實施例1:
[0036]將碳化硼微粉180公斤、硼化鈦微粉12公斤、納米炭黑5.4公斤、四甲基氫氧化銨0.1公斤、糊精1.6公斤，去離子水400公斤，按一定順序加入混料桶中，利用乳化機高速混料製漿，然後經過噴霧造粒得到造粒料，所得的造粒料採用自動壓機，幹壓成型得到防彈片素坯，將素坯放入脫粘爐內在500°C溫度下保溫3h脫除水分和有機質，然後放入真空燒結爐中無壓燒結，在1800°C以上高溫階段通入惰性保護氣體，2100°C保溫lh，隨爐冷卻，即獲得無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片。
[0037]該碳化硼陶瓷防彈片密度為2.50g/cm3，彎曲強度415MPa，維氏硬度為30.2GPa，斷裂韌性4.8MPa.πι1/2。樣品通過7.62mm穿甲燃燒彈實彈射擊測試，防彈等級達到NIJ-1V級防護水平。
[0038]實施例2:
[0039]將碳化硼微粉170公斤、碳化鈦微粉23公斤、納米炭黑4公斤、氨水500ml、聚乙烯醇10公斤，去離子水400公斤，按一定順序加入球磨機中，球磨製漿，然後經過噴霧造粒得到造粒料，所得的造粒料人工幹壓成型得到防彈片素坯，將素坯放入脫粘爐內在800°C溫度下保溫3h脫除水分和有機質，然後放入真空燒結爐中無壓燒結，在1800°C以上高溫階段通入惰性保護氣體，2120°C保溫lh，隨爐冷卻，即可獲得無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片。
[0040]該碳化硼陶瓷防彈片密度為2.51g/cm3，彎曲強度408MPa，維氏硬度為30.0GPa，斷裂韌性4.6MPa.πι1/2。樣品通過7.62mm穿甲燃燒彈實彈射擊測試，防彈等級達到NIJ-1V級防護水平。
【權利要求】
1.一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)將各種原料按照配方比例放入混料製漿設備，各種原料由固態A料和液態B料組成，所述固態A料包括以下重量百分比的各組分: 碳化硼粉75?97wt%， 燒結助劑O?15.0wt 碳源 1.0 ?12.0wt%,
粘接劑 0.5-6.0wt %, 分散劑 0.5-6.0wt 以上各組分重量之和為100% ； 所述B料為去離子水，所述A料和B料混合球磨或高速攪拌製成漿料，所述漿料的固含量為30?70wt% ； 所述燒結助劑採用納米級到微米級ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB2中的一種或一種以上； (2)將步驟(I)所得漿料，利用噴霧乾燥造粒工藝製得造粒料； (3)將步驟(2)所製造粒料採用自動壓機快速批量化壓制防彈片素坯； (4)將步驟(3)所得的防彈片素坯放入脫粘爐內，抽真空，保持爐內真空度為10?lOOOPa，在400°C?900°C下保溫0.5?4h，脫去水分和有機質，得到防彈片坯體； (5)將步驟(4)所得防彈片坯體放入真空燒結爐內，抽真空，保持爐內真空度為10?lOOOPa，在1800°C以上高溫階段通入惰性保護氣體，在2000°C?2200°C保溫0.5?2h，隨爐冷卻，得到無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片。
2.根據權利要求1所述的一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:步驟(I)中的製漿的設備採用乳化機或快速攪拌機或球磨機。
3.根據權利要求1所述的一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:步驟⑴中的碳化硼粉中B4C ^ 95wt%，碳化硼粉的D5tlS LOym0
4.根據權利要求1所述的一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:步驟(I)中的碳源為納米炭黑或有機轉換碳，碳源中C彡99wt%。
5.根據權利要求1所述的一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:步驟(I)中的粘結劑採用糊精、聚乙烯醇、甲基纖維素中的一種或一種以上。
6.根據權利要求1所述的一種無壓燒結碳化硼陶瓷防彈片的批量生產方法，其特徵在於:步驟(I)中的分散劑採用四甲基氫氧化銨、聚乙烯醇縮丁醛、氨水、正辛醇中的一種或一種以上。
【文檔編號】C04B35/622GK104446483SQ201410781112
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】鄔國平, 焦永峰, 謝方民, 楊勇輝, 孫雪萍, 魏德軍 申請人:寧波伏爾肯機械密封件製造有限公司