一種碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大、高溫抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性能好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性在汽車、機(jī)械化工、環(huán)境保護(hù)、空間技術(shù)、信息電子、軍事、能源等領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域性能優(yōu)異的其他材料不可替代的結(jié)構(gòu)陶瓷。碳化硅陶瓷的高性能和在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但碳化硅是一種共價(jià)性極強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，碳化硅的燒結(jié)一直是材料界研究的熱點(diǎn)，如何采用較簡單的生產(chǎn)工藝制備得到高致密度的碳化硅陶瓷制品是研究者一直關(guān)心的課題。
[0003]無壓燒結(jié)可使碳化硅陶瓷在2000°C以上實(shí)現(xiàn)固相燒結(jié)，但是工件會產(chǎn)生較大的收縮變形，對于大面積、形狀不規(guī)則的制品，無壓燒結(jié)會導(dǎo)致工件的不規(guī)則收縮，引起形狀畸變。因而，現(xiàn)有技術(shù)中，市面上的廠家為避免形狀畸變，采用無壓燒結(jié)工藝制備邊長為3?I Ocm的六邊形或正方形的碳化硅平面小塊，拼接在聚乙烯材料制成的背板上復(fù)合成為防彈板。由于碳化硅塊之間、碳化硅塊與背板之間都不可避免地存在縫隙，嚴(yán)重影響防彈板的防彈性能；同時(shí)由于碳化硅小塊為平面，只能拼接出平緩的近似曲面，復(fù)合出的防彈板使用舒適性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種碳化硼/碳化硅陶瓷整板及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明采用冷等靜壓成型方法，得到各點(diǎn)密度均勻的碳化硼/碳化硅素坯，燒結(jié)時(shí)素坯按比例均勻收縮，完整地保留了素坯的原曲面，使無壓燒結(jié)工藝可用于制備大面積、形狀復(fù)雜的碳化硼/碳化硅工件。
[0005]本發(fā)明提供的一種碳化硼/碳化硅陶瓷整板的制備方法，包括如下步驟:
[0006](I)將碳化硼粉、碳化硅粉、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑和水混合后進(jìn)行球磨制漿，得漿料；
[0007](2)采用噴霧造粒干燥工藝將步驟(I)制得的漿料干燥造粒，得造粒料；
[0008](3)采用冷等靜壓成型工藝將步驟(2)制得的造粒料壓制成型，得素坯；
[0009](4)將步驟(3)制得的素坯進(jìn)行無壓燒結(jié)，冷卻后即可得到所述陶瓷整板。
[0010]上述的制備方法中，步驟(I)中，以重量份數(shù)計(jì)，各原料的質(zhì)量份數(shù)如下:
[0011]碳化硼粉40?90份、碳化硅粉1300?1500份、碳粉20?80份、粘結(jié)劑6?8份、分散劑8?10份；
[0012]以重量份數(shù)計(jì)，各原料的質(zhì)量份數(shù)具體可為下述1)-5)中的任一種:
[0013]I)碳化硼粉40?80份、碳化硅粉1300?1350份、碳粉50?80份、粘結(jié)劑6?8份、分散劑8?10份；
[0014]2)碳化硼粉80?90份、碳化硅粉1300?1500份、碳粉20?80份、粘結(jié)劑6?8份、分散劑8?10份；
[0015]3)碳化硼粉90份、碳化硅粉1500份、碳粉20份、粘結(jié)劑8份、分散劑10份；
[0016]4)碳化硼粉80份、碳化硅粉1300份、碳粉80份、粘結(jié)劑6份、分散劑8份；
[0017]5)碳化硼粉40份、碳化硅粉1350份、碳粉50份、粘結(jié)劑8份、分散劑10份。
[0018]水的加入量控制在所述漿料中的固含量可為45?70%，具體可為47%?50%、47%?48%、48%?50%、47%、48%或50% ；
[0019]所述漿料的pH值可為 7.0?11.0，如10.0、10.1、10.3。
[0020]上述的制備方法中，步驟(I)中，所述碳化硼粉中B4C的質(zhì)量百分含量可大于等于99.9% (如99.9%)，中位徑(一個樣品的累積粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對應(yīng)的粒徑)小于 1.0ym，$n0.5?0.7ym、0.5ymS0.7ym;
[0021]所述碳化硅粉中SiC的質(zhì)量百分含量可大于等于99%(如99.1%)，其中α-SiC的質(zhì)量百分含量為5?20 % (如7.3 % )，所述碳化硅粉的中位粒徑小于5.0ym，具體可為0.4?0.5μπι、0.4μηι 或 0.5μηι；
[0022]所述碳粉可為石墨粉、炭黑(如氣糟法炭黑)、焦炭、石油焦或有機(jī)轉(zhuǎn)換碳，碳粉中C的質(zhì)量百分含量大于等于99%，最大粒徑小于ΙΟμπι，具體可為2?5μηι、2μηι或5μηι;
[0023]所述粘接劑可為糊精、聚乙烯醇(PVA)和葡萄糖中的至少一種；
[0024]所述分散劑可為四甲基氫氧化銨、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和氨水中的至少一種。
[0025]上述的制備方法中，步驟(I)中，所述球磨的方法如下:采用的介質(zhì)球可為碳化硅陶瓷球或碳化硼陶瓷球，球徑可為5?1mm(如1mm)，球料比可為(1.2?3): 1(如1.5:1)，球磨混料時(shí)間可為20?50小時(shí)(如40小時(shí))，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速可為30?200轉(zhuǎn)/分鐘，如150轉(zhuǎn)/分鐘。
[0026]上述的制備方法中，步驟(2)中，所述噴霧造粒干燥工藝可采用噴霧干燥造粒機(jī)或離心干燥造粒機(jī)，所述噴霧干燥造粒機(jī)的壓力可為0.01?0.5MPa(如0.3MPa);所述離心干燥造粒機(jī)的離心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可為1000?20000轉(zhuǎn)/分鐘(如5000轉(zhuǎn)/分鐘)；干燥造粒時(shí)的進(jìn)口溫度可為180?280°C (230°C)、出口溫度可為100?150°C (如120°C)。
[0027]上述的制備方法，步驟(3)中，所述冷等靜壓成型工藝條件控制如下:250?300MPa時(shí)保壓10?20s，100?150MPa時(shí)保壓10?20s，250?300MPa時(shí)保壓10?20s，10MPa時(shí)保壓20s ；
[0028]所述冷等靜壓成型工藝條件具體可為下述1)-6)中的任一種:
[0029]1)250?30010^時(shí)保壓15?208，100?15010^時(shí)保壓15?208，250?28010^時(shí)保壓15 ?20s，10MPa 時(shí)保壓 20s ；
[0030]2)250 ?260MPa 時(shí)保壓 208，100?15010^時(shí)保壓158，250?28010^時(shí)保壓208，I OOMPa 時(shí)保壓 20s;
[0031]3)260 ?300MPa 時(shí)保壓 15 ?208，125?15010^時(shí)保壓15?208，28010^時(shí)保壓15?20s，I OOMPa 時(shí)保壓 20s;
[0032]4)30010^時(shí)保壓158，12510^時(shí)保壓208，28010^時(shí)保壓158，I OOMPa 時(shí)保壓 20s ；
[0033]5)260MPa 時(shí)保壓 20s，150MPa 時(shí)保壓 15s，280MPa 時(shí)保壓 20s，I OOMPa 時(shí)保壓 20s ；
[0034]6)250MPa 時(shí)保壓 20s，10010^時(shí)保壓158，25010^時(shí)保壓208，I OOMPa 時(shí)保壓 20s。
[0035]上述的制備方法，步驟(4)中，所述無壓燒結(jié)可在氣壓可為10?500Pa的真空條件(具體可為 200 ?300Pa、200Pa ?250Pa、250 ?300Pa、200Pa、250Pa 或 300Pa)或通入惰性保護(hù)氣體(大氣壓壓力)的條件下進(jìn)行，溫度可為1850°C?2250°C，具體可為2050?2100°C、2050°(3或2100°(3，保溫時(shí)間可為2.5?3.5h，具體可為2.5h或3.5h。
[0036]上述的制備方法，步驟(2)中，所述壓制成型的形狀如下:以所述陶瓷整板的中心為原點(diǎn)，所述陶瓷整板的長度方向?yàn)閄軸，寬度方向?yàn)閥軸，所在平面的垂直方向?yàn)閦軸;將X軸和y軸所在平面，沿X軸方向z軸同方向彎曲，形成弧形曲面，沿y軸方向也向z軸的該方向彎曲，形成弧形曲面。
[0037]由上述的制備方法制備得到的碳化硼/碳化硅陶瓷整板，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0038]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板中，以所述陶瓷整板可為多曲面陶瓷整板。
[0039]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板中，所述多曲面陶瓷整板的形狀具體可如下:
[0040]以所述陶瓷整板的中心為原點(diǎn)，所述陶瓷整板的長度方向?yàn)閄軸，寬度方向?yàn)閥軸，所在平面的垂直方向?yàn)閦軸;將X軸和y軸所在平面，沿X軸方向向z軸方向彎曲，形成弧形曲面，沿y軸方向也向z軸的該方向彎曲，形成弧形曲面。
[0041 ]所述多曲面陶瓷整板模擬人體曲線，貼合和舒適性好。
[0042]上述的碳化硼/碳化硅陶瓷整板在制備或作為防彈板中的應(yīng)用，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0043]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0044]1、本發(fā)明采用冷等靜壓成型方法，通過反復(fù)試驗(yàn)確定各階段的保壓壓力和保壓時(shí)間，得到各點(diǎn)密度均勻的碳化硼/碳化硅素坯，燒結(jié)時(shí)素坯按比例均勻收縮，完整地保留了素坯的原曲面，使無壓燒結(jié)工藝可用于制備大面積、形狀復(fù)雜的碳化硼/碳化硅工件。
[0045]2、本發(fā)明制備的無壓燒結(jié)多曲面碳化硼/碳化硅陶瓷整板，密度達(dá)到3.15g/cm3，致密度達(dá)到98%，抗彎強(qiáng)度達(dá)到350MPa，斷裂韌性達(dá)到3.5MPa.，維氏硬度達(dá)到26GPa，與小塊拼接防彈板相比，防彈性能顯著提高。
[0046]3、本發(fā)明陶瓷整板為多曲面陶瓷整板，模擬人體曲線，可用作防彈板，舒適性好。
【附圖說明】
[0047]圖1為實(shí)施例1-實(shí)施例3中制備得到的多曲面碳化硼/碳化硅陶瓷整板的俯視圖和側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0049]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0050]下述實(shí)施例中碳化硼粉中B4C的質(zhì)量百分含量為99.9%;碳化硅粉中SiC的質(zhì)量百分含量為99.1%，其中α-SiC含量為7.3wt%。
[0051 ] 焦炭、石墨粉、炭黑中C的質(zhì)量百分含量分別為99.0%、99.3%或99.1%。
[0052]實(shí)施例1、制備多曲面