本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及碳化硅陶瓷材料的反應(yīng)燒結(jié)制備工藝，尤其是一種厚板碳化硅陶瓷材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
碳化硅陶瓷硬度高、密度較小，且耐高溫、耐磨損、有一定的韌性，價(jià)格便宜，是新一代防彈陶瓷的理想材料，在保證較好防彈性能的同時(shí)，能保持較好的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性，在人體防護(hù)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。專利等公開了碳化硅防彈插板的制備方法及其在人體防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，在一些特種車輛的防護(hù)方面，需要配備超厚的碳化硅板。反應(yīng)燒結(jié)具有燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單、燒結(jié)時(shí)間短、凈尺寸燒結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，采用目前為人熟知的方法往往難以得到無缺陷無裂紋的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷厚板。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種制備無裂紋、無缺陷的厚板碳化硅陶瓷的工藝方法，以及這種碳化硅陶瓷在車輛防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)效果，本發(fā)明是通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：
S1.將炭黑粉末與碳化硅粉末按質(zhì)量比5～12:95～88混合后，加入總質(zhì)量10～20％的聚乙烯醇，球磨混合均勻后，噴霧造粒，得到混合粉料；
S2.將步驟S1中的混合粉料模壓成形，得到坯體；
S3.在步驟S2中的坯體的表面放置相對(duì)于S1中的炭黑粉末質(zhì)量2.5～4倍的硅粉形成的粉餅，進(jìn)行燒結(jié)保溫；所述燒結(jié)保持真空度不低于5×10-1Pa，緩慢升溫至1650～1800℃后，保溫2h；所述緩慢升溫，在爐溫低于800℃時(shí)，升溫速度不超過5℃/min，并在400℃時(shí)保溫1h，在爐溫超過800℃后，升溫速度不超過2℃/min；采用本發(fā)明的升溫工藝制度，可以保證壓坯燒結(jié)質(zhì)量的同時(shí)，盡量縮短燒結(jié)總的時(shí)長(zhǎng)。由于本發(fā)明只有聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，可以在低溫階段采用相對(duì)較快的升溫速度。為了徹底去除壓坯中的聚乙烯醇，本發(fā)明要求在300℃保溫1h。由于本發(fā)明所制備的是厚度大的碳化硅制品，在高溫階段必須保持較低的升溫速度，否則將使壓坯表面先于壓坯芯部產(chǎn)生反應(yīng)燒結(jié)，從而使熔融硅難以順利進(jìn)入壓坯芯部，導(dǎo)致因不完全燒結(jié)而報(bào)廢。
S4.在步驟S3中的燒結(jié)保溫結(jié)束后，在惰性氣體環(huán)境下，保持壓力不低于0.5MPa，緩慢將爐溫降低至200℃以下，降溫速度不高于5℃/min，即制成致密且無缺陷的厚板碳化硅陶瓷材料。由于坯體厚度較大，在降溫過程中常常會(huì)因熱應(yīng)力過大而導(dǎo)致壓坯出現(xiàn)裂紋等缺陷。采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，在壓力作用下，并緩慢冷卻，即可解決這個(gè)問題，制成致密且無缺陷的厚板碳化硅陶瓷材料。
優(yōu)選的，所述步驟S1中的混合粉料中的碳化硅粉末由粗細(xì)兩種碳化硅粉末組成，粗粉的平均顆粒尺寸為30～50μm，細(xì)粉的平均顆粒尺寸為2～5μm，細(xì)粉與粗粉的質(zhì)量比為1:1.5～2.5。采用本發(fā)明的粗粉與細(xì)粉的比例，細(xì)粉在球磨過程中能充分填充到粗粉顆粒堆積形成的孔隙中，從而使混合粉末的松裝密度提高，并在后續(xù)的模壓過程中得到高密度的壓坯，防止在后續(xù)的熔滲過程形成大塊的殘留硅。
優(yōu)選的，所述步驟S2的模壓成形的壓力條件為200～250MPa。過低的壓制壓力將無法得到足夠密度的壓坯，而壓力過大則容易導(dǎo)致壓坯產(chǎn)生分層等缺陷。
其中，所述步驟S3的燒結(jié)保溫在真空爐中進(jìn)行。
其中，所述步驟S4的惰性氣體為氬氣。
上述制備方法制備的厚板碳化硅陶瓷材料。
所述厚板碳化硅陶瓷材料的厚度為80～300mm。
上述厚板碳化硅陶瓷材料用于制作防彈板。
本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明提供的制備工藝能顯著降低反應(yīng)燒結(jié)過程中陶瓷產(chǎn)生的熱應(yīng)力；
2、本發(fā)明制備的厚板碳化硅陶瓷致密度高、沒有裂紋或大面積殘留硅富集等缺陷，特別適用于特種車輛的防護(hù)領(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
實(shí)施例1
一種厚板碳化硅陶瓷材料的制備方法，制備工藝包括以下步驟：
步驟一，將質(zhì)量比為8:92的炭黑粉末與碳化硅粉末混合后，加入總質(zhì)量15％的聚乙烯醇，球磨混合均勻后，噴霧造粒，得到粉料。上述混合粉末中的碳化硅粉末由平均粒度為2μm的細(xì)粉和平均粒度為45μm的粗粉以質(zhì)量比1:2復(fù)配得到；
步驟二，將上述粉料在250MPa壓力下模壓成形，得到厚度為150mm的坯體；
步驟三，在坯體表面放置相對(duì)于坯體中炭黑質(zhì)量3倍的硅粉形成的粉餅，放置于真空爐中，進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)：保持真空度不低于5×10-1Pa，再緩慢升溫至1750℃，并保溫2h。在爐溫低于800℃時(shí)，升溫速度不超過5℃/min，并在400℃時(shí)保溫1h；在爐溫超過800℃后，升溫速度不超過2℃/min；
步驟四，燒結(jié)保溫結(jié)束后，關(guān)掉真空系統(tǒng)，在爐中充入氬氣，保持氬氣壓力不低于0.5MPa，并緩慢將爐溫降低至200℃以下，降溫速度不高于5℃/min，即制成致密且無缺陷的厚板碳化硅陶瓷材料。
測(cè)試上述厚板碳化硅陶瓷材料，密度為3.13g/cm3，洛氏硬度HRA為94～95，維氏硬度HV0.5為2650～2700，彎曲強(qiáng)度為320～380MPa，孔隙率小于0.09％。
步驟五，采用金剛石磨輪去除反應(yīng)燒結(jié)得到的碳化硅板表面的殘留硅，再將這些碳化硅板按照一定的形式排列整齊，并將其固定于裝甲鋼材質(zhì)制成的盒子中，得到可用于車輛防護(hù)的碳化硅陶瓷防彈裝甲。
實(shí)施例2
一種厚板碳化硅陶瓷材料的制備方法，制備工藝包括以下步驟：
步驟一，將質(zhì)量比為12:88的炭黑粉末與碳化硅粉末混合后，加入總質(zhì)量20％的聚乙烯醇，球磨混合均勻后，噴霧造粒，得到粉料。上述混合粉末中的碳化硅粉末由平均粒度為3μm的細(xì)粉和平均粒度為40μm的粗粉以質(zhì)量比1:2.5復(fù)配得到；
步驟二，將上述粉料在220MPa壓力下模壓成形，得到厚度為200mm的坯體；
步驟三，在坯體表面放置相對(duì)于坯體中炭黑質(zhì)量3.5倍的硅粉形成的粉餅，放置于真空爐中，進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)：保持真空度不低于5×10-1Pa，再緩慢升溫至1800℃，并保溫2h，在爐溫低于800℃時(shí)，升溫速度不超過5℃/min，并在400℃時(shí)保溫1h，在爐溫超過800℃后，升溫速度不超過2℃/min；
步驟四，燒結(jié)保溫結(jié)束后，關(guān)掉真空系統(tǒng)，在爐中充入氬氣，保持氬氣壓力不低于0.5MPa，并緩慢將爐溫降低至200℃以下，降溫速度不高于5℃/min，即制成致密且無缺陷的厚板碳化硅陶瓷材料。
測(cè)試上述厚板碳化硅陶瓷材料，密度為3.10g/cm3，洛氏硬度HRA為94～95，維氏硬度HV0.5為2650～2700，彎曲強(qiáng)度為310～370MPa，孔隙率小于0.1％。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。