一种碳化硼复合陶瓷板的制备方法及防弹插板与流程

2021-01-31 02:01:08|

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本发明涉及防弹陶瓷技术领域，特别涉及一种碳化硼复合陶瓷板的制备方法。本发明还涉及一种应用有采用该碳化硼复合陶瓷板的制备方法制得的复合陶瓷板的防弹插板。

背景技术：

陶瓷材料是通过微破碎过程吸收能量。陶瓷吸收能量的能力与陶瓷的硬度、弹性模量有关，陶瓷的弹性模量和硬度越大，密度越小，抗弹性能越高，陶瓷对于动能的吸收能力越强。陶瓷的高断裂韧性可延迟弹丸撞击陶瓷的断裂时间，提高陶瓷的断裂耗能和抗弹阻力，使陶瓷对弹丸的磨蚀和犁削作用增强，从而消耗更多的弹丸动能，提高陶瓷的抗弹性能。

碳化硼的密度在几种常用装甲陶瓷中最低，加上弹性模量较高，使其成为军事装甲、防弹衣和空间领域材料方面的最佳选择。碳化硼陶瓷存在的主要问题是价格昂贵(是氧化铝的10倍左右)、脆性较大、断裂韧性低，限制了其以整板形式作为防弹陶瓷在防弹装甲以及防弹插板领域的应用。国内外的大量研究表明纯化学计量的碳化硼极难烧结致密化，主要由于其共价键含量相当高(大于90％)，碳化硼原料粒径越小得到的碳化硼陶瓷烧结致密性越好。烧结助剂来可以有效的促进烧结致密化，避免陶瓷晶粒尺寸过大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种碳化硼复合陶瓷板的制备方法，以可提高碳化硼陶瓷板的断裂韧性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种碳化硼复合陶瓷板的制备方法，包括如下步骤：

s1：选料：选用d50＜3um的碳化硼粉末作为原料，以及石墨烯材料作为烧结助剂；

s2：配制石墨烯悬浮液：将分散助剂溶解于水或者酒精中，制成溶液，然后向溶液中加入石墨烯材料，并采用高压均质工艺分散1-24h，获得石墨烯均匀分散的石墨烯悬浮液；其中，石墨烯在分散液中的质量占比在1％-10％之间，制得的石墨烯悬浮液中的石墨烯片径d90＜1μm，层数＜10层；

s3：将步骤s1中得到的碳化硼粉末和步骤s2中制得的石墨烯悬浮液加入三辊研磨机中进行混料及研磨，其中，慢速辊筒和中速辊筒及快速辊筒的辊筒速比为1:3:9，慢速辊筒速度为10-30rpm，循环研磨5-8次；

s4：将步骤s3得到的粒度分布均匀、流动性良好、水分含量适中的基料加入造粒机中造粒，粒径为5-100μm，然后烘干，烘干燥温度为100-110℃，烘干后得到造粒粉；

s5：将造粒粉装入预制形状的石墨模具中，在真空环境下以10-20℃/min的速率进行第一阶段的升温，温度升至1000℃，然后以5-15℃/min的速率再进行第二阶段的升温，温度升至2350℃，在第二阶段升温的同时通入氮气，保温10-30min，然后快速降温至2200℃保温1-1.5h。

进一步的，步骤s1中的石墨烯材料包括d50为10μm-20μm的氧化石墨烯、功能化石墨烯或石墨烯中的一种或多种。

进一步的，步骤s2中的分散剂包括byk-190、sn5027、dego760w、cmc中的一种或多种。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明所述的碳化硼复合陶瓷板的制备方法，可使得石墨烯材料在碳化硼陶瓷中分布更加均匀，从而可有效促进碳化硼陶瓷烧结致密化。

(2)石墨烯材料是二维面状结构，与碳化硼混合均匀后可以在微观层面避免碳化硼陶瓷晶粒生长过大，有效提高碳化硼陶瓷的断裂韧性。

(3)由于石墨烯的理论厚度只有0.37nm，从理论角度讲石墨烯作为增韧剂其用量会比其他碳材料类增韧剂少，实际商购石墨烯材料经过分散工艺后其厚度也都在10层以下，可以有效减少增韧剂的用量。

本发明的另一目的在于提出一种防弹插板，沿迎弹方向依次包括防水层，止裂层，迎弹层，过渡层，钛合金防弹层及缓冲层，所述迎弹层由如权利要求1所述的碳化硼复合陶瓷板制成的多曲面状的板件。

进一步的，所述防水层采用0.5mm厚的聚脲纳米涂层或者牛津防水布。

进一步的，所述止裂层采用芳纶机织布。

进一步的，所述过渡层采用芳纶机织布。

进一步的，所述缓冲层采用pe板。

进一步的，所述钛合金板防弹层的材质为ti5322或tc4合金。

进一步的，所述钛合金板防弹层的厚度在0.3-17mm之间。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的防弹插板，通过采用碳化硼复合陶瓷板的制备方法制得的复合陶瓷板，并将该复合陶瓷板应用于防弹插板上，从而可有效提升陶瓷的韧性，并且添加少量的石墨烯材料就能够有效引导陶瓷的微观裂纹，从而可提高复合陶瓷板也即是防弹插板的抗多发子弹的性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的采用碳化硼复合陶瓷板的制备方法制得迎弹层的结构示意图；

附图标记说明：

1-碳化硼复合陶瓷板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例涉及一种碳化硼复合陶瓷板的制备方法，其包括如下步骤：

s1：选料：选用d50＜3um的碳化硼粉末作为原料，以及石墨烯材料作为烧结助剂；

s2：配制石墨烯悬浮液：将分散助剂溶解于水或者酒精中，制成溶液，然后向溶液中加入石墨烯，并采用高压均质工艺分散1-24h，获得石墨烯均匀分散的石墨烯悬浮液；其中，石墨烯在分散液中的质量占比在1％-10％之间，制得的石墨烯悬浮液中的石墨烯片径d90＜1μm，层数＜10层；

s3：将步骤s1中得到的碳化硼粉末和步骤s2中制得的石墨烯悬浮液加入三辊研磨机中进行混料，其中，慢速辊筒和中速辊筒及快速辊筒的辊筒速比为1:3:9，慢速辊筒速度为10-30rpm，循环研磨5-8次；

其中，步骤s1中的石墨烯材料包括d50为10μm-20μm的氧化石墨烯、功能化石墨烯或石墨烯中的一种或多种。

作为优选实施方式，步骤s2中的分散剂包括byk-190、sn5027、dego760w、cmc中的一种或多种。本发明所述的碳化硼复合陶瓷板的制备方法，通过高压均质工艺可使得石墨烯分散更均匀，从而使得石墨烯与碳化硼陶瓷充分接触，以可有效促进碳化硼陶瓷烧结致密化，同时，采用三辊研磨工艺使得石墨烯与碳化硼混合更加均匀，从而可在微观层面避免碳化硼陶瓷晶粒生长过大，可有效提高碳化硼陶瓷板的断裂韧性。

实施例二

本实施例涉及一种防弹插板，沿迎弹方向依次包括防水层，止裂层，迎弹层，过渡层，钛合金防弹层及缓冲层，其主要结构包括：所述迎弹层由实施例一所述的碳化硼复合陶瓷板制成的多曲面状的板件。其中，所述防水层采用0.5mm厚的聚脲纳米涂层或者牛津防水布。

作为本实施例的进一步改进方案，所述止裂层采用芳纶机织布。

作为本实施例的进一步改进方案，所述过渡层采用芳纶机织布。

作为本实施例的进一步改进方案，所述缓冲层采用pe板。

作为本实施例的进一步改进方案，所述钛合金板防弹层的材质为ti5322或tc4合金。

作为本实施例的进一步改进方案，所述钛合金板防弹层的厚度在0.3-17mm之间。

另外，防弹插板的制备步骤如下：

按照实施例一中步骤s5中碳化硼复合陶瓷板的尺寸预制一定形状的模具，对厚度0.3-1mm的钛合金复合材料，采用辊压形式成型。将待复合的插板按照：芳纶布、陶瓷板、芳纶布、钛合金板，pe板的顺序，放置在真空热压罐内预热0.5-3h，温度80-150℃，自然冷却至室温后取出，采用专用胶粘接成型后，放置在压力不小于8公斤的压力容器内，加压放置24-48h。

相比于现有技术中采用碳纤维，石墨与碳化硼复合的陶瓷板，本申请中制备方法制得的复合陶瓷板在性能上，尤其是在陶瓷的断裂韧性上得到了大大地提升。具体详见表格一中的数据对比：

表格一：

通过上述表格中的数据对比可知，本方案中制得的复合陶瓷板其断裂韧性得到了大大地提升。

另外，采用本方案制得的复合陶瓷板应用于防弹插片时，进行防弹效果检验测试上，具体数据详见表格二：

表格二：

通过上述表格中的数据表明，采用本方案制得的防弹插片在尺寸、厚度、重量等均符合whb906-2015及whb917-2015的制造标准，并且对上述中的防弹插片进行编号同时进行枪击试验，结果表明均能满足whb906-2015及whb917-2015验收条件，并具有较好的防弹性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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