【摘 要】碳化硅防彈陶瓷可(ke)以通過不同生產工藝進行(xing)生產。主要(yao)有反應燒結(jie)工藝、熱壓燒結(jie)工藝、無壓燒結(jie)制(zhi)備(bei)等。本文主要(yao)總(zong)結(jie)幾種(zhong)常(chang)規(gui)碳化硅(gui)防彈陶瓷制(zhi)備(bei)方法。

【關鍵(jian)詞】納米碳化硅(gui)；防彈材(cai)料；研究進展；碳化硅(gui)防彈陶瓷

1引言

防(fang)彈(dan)(dan)材料(liao)主(zhu)要應用于(yu)戰(zhan)時(shi)人(ren)體(ti)、戰(zhan)車、艦船和飛(fei)機特定部(bu)位的(de)防(fang)護。目前(qian)(qian)人(ren)體(ti)防(fang)護主(zhu)要采用在軟體(ti)防(fang)彈(dan)(dan)衣上疊(die)加(jia)陶瓷(ci)插板(ban)的(de)結構形式，在其中起(qi)到主(zhu)要防(fang)彈(dan)(dan)作用的(de)陶瓷(ci)材料(liao)必須具備高硬度、高彈(dan)(dan)性(xing)模量和較低的(de)密度，目前(qian)(qian)的(de)陶瓷(ci)防(fang)彈(dan)(dan)材料(liao)通常選(xuan)用氧(yang)化鋁、碳(tan)化硅、碳(tan)化硼和氮化硅等。

 氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁因(yin)(yin)其(qi)成本(ben)低而(er)在防(fang)彈上得到更廣泛的應用, 但其(qi)防(fang)彈等級最低、密(mi)度也(ye)最大; 碳化(hua)(hua)(hua)硼防(fang)彈性(xing)能(neng)最好、密(mi)度最小, 但其(qi)價格最為昂(ang)貴; 碳化(hua)(hua)(hua)硅陶瓷材料在成本(ben)、防(fang)彈性(xing)能(neng)和密(mi)度指(zhi)標(biao)方面均介(jie)于二者之間, 因(yin)(yin)而(er)最有可能(neng)成為氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁防(fang)彈陶瓷的升級換代產品。低成本(ben)化(hua)(hua)(hua)與高性(xing)能(neng)化(hua)(hua)(hua)是實現(xian)這種(zhong)升級換代的必(bi)然(ran)途(tu)徑(jing)。

 碳化硅(gui)防彈陶瓷可以通過不同生產(chan)工藝進行生產(chan)。主要有反應燒(shao)結(jie)工藝、熱壓燒(shao)結(jie)工藝、無壓燒(shao)結(jie)制備等(deng)。

2 常規碳化硅防彈陶瓷制備方法

2.1 反(fan)應燒結防彈陶(tao)瓷

2.1.1陶瓷壓(ya)坯(pi)制備

將(jiang)陶瓷粉(fen)體80-90%（由碳(tan)化硅粉(fen)末(mo)(mo)和碳(tan)化硼粉(fen)末(mo)(mo)的一種(zhong)或(huo)(huo)兩種(zhong)粉(fen)末(mo)(mo)組(zu)(zu)成(cheng)）、碳(tan)源(yuan)粉(fen)末(mo)(mo)3-15%（由炭黑、酚(fen)醛樹脂的一種(zhong)或(huo)(huo)兩種(zhong)組(zu)(zu)成(cheng)）和成(cheng)型劑 5-15%（為酚(fen)醛樹脂、聚乙二醇、羥甲基纖維(wei)素或(huo)(huo)石蠟）使用球磨機混(hun)合均勻，獲得(de)混(hun)合粉(fen)末(mo)(mo)，經噴霧干(gan)燥制粒后，在(zai)模具中壓制成(cheng)形，得(de)到具有各種(zhong)特定(ding)形狀(zhuang)的陶瓷壓坯。

2.1.2燒結熔滲劑壓坯制備

將硅(gui)粉60-80%、碳化硅(gui)粉3-10%和氮化硼粉37-10%混合均勻，在(zai)模(mo)具中壓制成形得到燒結熔滲劑的壓坯。

2.1.3反應燒結(jie)陶瓷產品制備 

將陶瓷壓坯和燒結熔滲劑(ji)壓坯疊(die)放在一起，在真空(kong)(kong)度不低于 5×10-1 Pa 的真空(kong)(kong)爐中，升溫到 1450-1750℃進(jin)行燒結保溫 1-3 h，得到反(fan)應燒結陶瓷產品。

將燒(shao)結(jie)陶瓷表面的(de)熔滲劑殘留物輕敲后去除，得到致(zhi)密(mi)的(de)陶瓷片，并(bing)保持(chi)了壓坯原有的(de)形狀。

2.1.4碳化硅木(mu)質陶瓷(ci)的制備

   采(cai)(cai)用反應(ying)燒結(jie)的(de)(de)工藝, 即: 高溫下具有(you)反應(ying)活性的(de)(de)液(ye)相硅(gui)(gui)(gui)或(huo)硅(gui)(gui)(gui)合(he)金, 在毛細管力的(de)(de)作用下滲(shen)入含有(you)碳(tan)多(duo)孔陶瓷素(su)坯(pi)中, 并與(yu)其中的(de)(de)碳(tan)反應(ying)生(sheng)成(cheng)碳(tan)化硅(gui)(gui)(gui), 生(sheng)成(cheng)碳(tan)化硅(gui)(gui)(gui)會發生(sheng)體積膨脹(zhang), 剩(sheng)余的(de)(de)孔隙被單(dan)質硅(gui)(gui)(gui)填充。多(duo)孔陶瓷素(su)坯(pi)可(ke)以是(shi)純碳(tan)或(huo)碳(tan)化硅(gui)(gui)(gui) /碳(tan)基復(fu)合(he)材(cai)料, 前者是(shi)將(jiang)有(you)機樹脂(zhi)、孔形成(cheng)劑及溶劑混合(he)后(hou)催化固化并將(jiang)其熱解得(de)(de)到(dao)多(duo)孔碳(tan), 后(hou)者是(shi)將(jiang)碳(tan)化硅(gui)(gui)(gui)顆粒 / 樹脂(zhi)基復(fu)合(he)材(cai)料熱解得(de)(de)到(dao)碳(tan)化硅(gui)(gui)(gui) / 碳(tan)基復(fu)合(he)材(cai)料, 或(huo)者以 α-SiC 、碳(tan)粉(fen)為起始原料, 采(cai)(cai)用壓制或(huo)注(zhu)漿(jiang)成(cheng)型的(de)(de)工藝得(de)(de)到(dao)該復(fu)合(he)材(cai)料。

2.2 固(gu)相燒(shao)結碳化硅防(fang)彈(dan)陶瓷(ci)制備(bei)方法

2.2.1原料的混合(he)

按重量百分比將亞微米(mi)級α碳化硅（200-500nm）70-90%、碳化硼0.1-5%、樹脂4-20%、有(you)機物粘結劑(ji)5-20%，放入混(hun)(hun)料(liao)機中加(jia)入純水進行(xing)濕法混(hun)(hun)合，6-48小(xiao)時后將混(hun)(hun)合好的料(liao)漿過(guo)60-120目篩；

2.2.2噴霧造粒

將過(guo)篩(shai)后(hou)(hou)的料(liao)漿通過(guo)噴霧(wu)造(zao)粒(li)塔(ta)進(jin)行噴霧(wu)造(zao)粒(li)，噴霧(wu)造(zao)粒(li)塔(ta)的進(jin)口溫度(du)(du)180-260℃，出口溫度(du)(du)60-120℃；造(zao)粒(li)后(hou)(hou)的物料(liao)松裝(zhuang)密度(du)(du)為(wei)0.85-0.92g/cm3 ，流動性(xing)為(wei)8-11s/30g；將造(zao)粒(li)后(hou)(hou)的物料(liao)過(guo)60-120目篩(shai)后(hou)(hou)備用(yong)；

2.2.3成型

根(gen)據(ju)所需制(zhi)品形狀選取模(mo)具，將上述造粒后的(de)物(wu)料裝入模(mo)具型(xing)腔內，在50-200MPa壓力進行(xing)常溫模(mo)壓成型(xing)，得生(sheng)(sheng)坯(pi)；或(huo)將模(mo)壓成型(xing)后的(de)生(sheng)(sheng)坯(pi)再放入等靜壓設備(bei)中，以200-300MPa壓力進行(xing)等靜壓，得二次壓制(zhi)后的(de)生(sheng)(sheng)坯(pi)；

2.2.4真空燒結

將上述(shu)步驟制(zhi)備出(chu)的(de)生(sheng)坯，放入(ru)真空燒結(jie)(jie)爐中進行(xing)燒結(jie)(jie)后(hou)，檢驗(yan)合格的(de)即為碳化硅防彈陶瓷(ci)成品；上述(shu)燒結(jie)(jie)過程(cheng)中，首先(xian)對燒結(jie)(jie)爐進行(xing)抽(chou)真空，當真空度達到3-5×10-2 Pa后(hou)，向燒結(jie)(jie)爐內通惰性(xing)氣(qi)體(ti)至(zhi)(zhi)常壓(ya)后(hou)進行(xing)加熱(re)，加熱(re)溫(wen)(wen)度與時(shi)間的(de)關系為：室溫(wen)(wen)至(zhi)(zhi)800℃、5-8小時(shi)，保(bao)溫(wen)(wen)0.5-1小時(shi)，從800℃至(zhi)(zhi)2000-2300℃、6-9小時(shi)，保(bao)溫(wen)(wen)1到2小時(shi)，之后(hou)隨爐冷卻，降至(zhi)(zhi)室溫(wen)(wen)出(chu)爐。

2.3 無壓燒結碳化(hua)硅防彈陶瓷制(zhi)備方法

2.3.1混料球磨

將(jiang)碳化硅超細粉(fen)（50-500nm） 96-99 份(fen)(fen)，碳化硼超細粉(fen)（50-500nm） 1-2 份(fen)(fen)，納米(mi)級(ji)硼化鈦(30-80nm)0.2-1份(fen)(fen)，水溶性(xing)酚醛樹脂10-20 份(fen)(fen)，高效(xiao)分(fen)散劑 0.1-0.5份(fen)(fen)加入(ru)到(dao)球(qiu)磨機中(zhong)進行(xing)球(qiu)磨混料(liao)(liao)24 小時，將(jiang)混合好(hao)的(de)漿料(liao)(liao)放入(ru)攪拌(ban)桶中(zhong)進行(xing)攪拌(ban) 2 小時以排(pai)除(chu)漿料(liao)(liao)中(zhong)的(de)氣泡(pao)。

2.3.2噴霧造粒

將(jiang)上述混(hun)合料噴入造粒(li)塔(ta)內，通過控制噴霧(wu)壓力(li)、進(jin)(jin)風(feng)溫(wen)度(du)(du)、出風(feng)溫(wen)度(du)(du)、噴片粒(li)徑獲得顆(ke)粒(li)形態(tai)好(hao)、流動性好(hao)、顆(ke)粒(li)分布(bu)范圍窄、水(shui)分適中(zhong)的造粒(li)粉，離心(xin)變頻26-32，進(jin)(jin)風(feng)溫(wen)度(du)(du) 250-280℃，出風(feng)溫(wen)度(du)(du) 100-120℃，進(jin)(jin)漿(jiang)壓力(li) 40-60。

2.3.3干壓成型

將上述造粒(li)粉置于(yu)硬質合金模具內進行壓(ya)制得(de)到生(sheng)坯(pi)，壓(ya)制方式為雙(shuang)向加壓(ya)，機床壓(ya)力噸位為 150-200 噸。

2.3.4生坯固化

將壓制好的(de)生坯放入干(gan)燥(zao)箱中進(jin)行干(gan)燥(zao)固(gu)化，得(de)到生坯強度(du)較好的(de)生坯。

2.3.5真空燒結

將(jiang)上述固化(hua)好的生坯置于石(shi)墨坩堝(guo)中(zhong)(zhong)緊密排列整齊，然(ran)后將(jiang)裝好生坯的石(shi)墨坩堝(guo)放入高溫(wen)真空燒(shao)(shao)結(jie)(jie)爐中(zhong)(zhong)進(jin)行燒(shao)(shao)制，燒(shao)(shao)成溫(wen)度為 2200-2250℃，保(bao)溫(wen)時間為 1-2 小時，最終(zhong)制得高性(xing)能無(wu)壓燒(shao)(shao)結(jie)(jie)碳(tan)化(hua)硅防彈陶(tao)瓷。

3 總結

采用熱(re)壓燒結(jie)工藝制(zhi)造(zao)的(de)陶(tao)瓷(ci)性能(neng)較(jiao)(jiao)好，但(dan)隨之生(sheng)產(chan)(chan)成本也大幅(fu)提高 ；采用無壓燒結(jie)制(zhi)備的(de)陶(tao)瓷(ci)，其原料要求(qiu)較(jiao)(jiao)高，燒結(jie)溫(wen)度高，制(zhi)品(pin)尺寸變化(hua)較(jiao)(jiao)大，工藝復雜(za)且(qie)性能(neng)不高；采用反應燒結(jie)工藝所生(sheng)產(chan)(chan)的(de)陶(tao)瓷(ci)產(chan)(chan)品(pin)致密度高，防彈性能(neng)較(jiao)(jiao)好，且(qie)制(zhi)備成本相對較(jiao)(jiao)低。

碳化(hua)硅陶(tao)瓷(ci)(ci)材料在成本、防(fang)彈(dan)性能(neng)和(he)密度指標(biao)方面均介于碳化(hua)硼和(he)氧化(hua)鋁陶(tao)瓷(ci)(ci)之間(jian), 因(yin)而(er)最有可能(neng)成為(wei)氧化(hua)鋁防(fang)彈(dan)陶(tao)瓷(ci)(ci)的升(sheng)級換代產品。低成本化(hua)與(yu)高性能(neng)化(hua)是實現這(zhe)種(zhong)升(sheng)級換代的必然途徑。

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作者：陳欣    

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