一种叠层装甲用SiC陶瓷薄层防弹材料及其制备方法【技术领域】。[0002]现代战争中，装甲材料是军事武器的关键技术之一。高性能装甲材料不但能提高战斗武器的战场生存能力，而且不降低其攻击时的机动能力。碳化硅陶瓷所具有的密度低、硬度大、抗冲击性能好、弹道性能好的优点，使其成为制作高性能防弹装具的理想材料，广泛用于制作防弹衣、车辆防弹装甲、舰船防弹装甲、直升机防弹装甲等。[0003]然而，陶瓷材料韧性低、可靠性差的缺点在一定程度上限制了碳化硅陶瓷作为装甲防护材料的应用。近年来，随着仿生学的快速发展，陶瓷薄层材料与高分子层叠层复合制备类似贝壳结构 的装甲成为高性能装甲的发展方向。目前，陶瓷薄层材料常用的成型方法主要有轧膜成型、流延成型、凝胶注模成型等。[0004]凝胶注模工艺是20世纪90年代美国橡树岭国家实验室的0.0.0matete和M.A.Jenny等人发明的一种近净尺寸成型技术，具有成本低，可制备可靠性高、形状复杂的陶瓷部件等优点。但是，用凝胶注模工艺制备大尺寸(边长厚度比> 100)薄层(厚度< 2mm)陶瓷材料时，在干燥、烧结过程中容易产生翘曲、开裂等缺陷。[0005]中国专利文件CN101948 312A公开了一种碳化硅防弹陶瓷，原料组分的质量百分数为:碳化硅粉末占40%~50%、纳米碳黑占8%~12%、酚醛树脂占3%~10%、硅占38%~45%。CN103508734A提供一种防弹碳化硼/碳化硅复合陶瓷制备方法，在研钵中将碳化硅粉末、碳化硼粉末、纳米碳黑混合，将酚醛树脂用酒精溶解，加入到研钵中，球磨混匀，将混匀的粉料加入塑性剂制成团粒，然后模压成型，制成生坯，再烘干、固化，渗硅反应烧结，制备的防弹材料，具有密度小，防弹性能好等优点。上述发明公开的方法适用于块体防弹陶瓷材料的制备，且均为反应烧结碳化硅基防弹陶瓷，材料中所含的游离硅低的脆性和硬度不利于碳化硅陶瓷防弹性能的充分发挥。而且块体防弹陶瓷材料的防弹能力与新型的叠层复合陶瓷材料相比，防护能力较低。
[0006]针对现有技术的不足，为了解决现有陶瓷装甲材料韧性低的及凝胶注模工艺制备大尺寸薄层陶瓷产品干燥、烧结过程中容易产生翘曲、开裂的问题，本发明提供一种叠层装甲防护用SiC陶瓷大尺寸薄层防弹材料及其制备方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种叠层装甲防护用SiC陶瓷薄层防弹材料，是由以下质量份的原料组分制备的凝胶注模薄片烧结而成的，所述薄片厚度为0.3-2.5mm:
[0009]碳化硅微粉100份，碳化硼微粉0.5-2份，丙烯酰胺单体20-35份，N’ N亚甲基双丙烯酰胺1-3份，四甲基氢氧化铵0.5-1.5份，磷酸三丁酯0.2-0.8份，去离子水30-45份，引发剂过硫酸铵溶液2-5份。
[0010]所述碳化硅微粉平均粒径为0.45 μ m,纯度≥98.5 % ;
[0011 ] 所述碳化硼微粉平均粒径为1.5-3.5 μ m,纯度≥93.5 % ;
[0012]所述过硫酸铵溶液为2_4wt.%的过硫酸铵水溶液；
[0013]根据本发明优选的，原料组分质量份如下:碳化硅微粉100份，碳化硼微粉0.5-1.5份，丙烯酰胺单体15-30份，N’ N亚甲基双丙烯酰胺1.5-2.5份，四甲基氢氧化铵
0.8-1.2份，磷酸三丁酯0.4-0.6份，去离子水35-42份，引发剂过硫酸铵溶液2_3份。
[0014]根据本发明优选的，所述SiC陶瓷薄层防弹材料的厚度0.5-2mm ;长宽尺寸根据需要选择模具尺寸，可实现长100~1000mm、宽100~1000mm的SiC陶瓷薄层产品的制备。属于大尺寸薄层陶瓷产品。
[0015]本发明所用碳化硅微粉，碳化硼微粉，丙烯酰胺单体、N’N亚甲基双丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵、磷酸三丁酯、过硫酸铵均为市售工业纯原料。 [0016]一种叠层装甲防护用SiC陶瓷薄层防弹材料的制备方法，包括步骤如下:
[0017](I)制备陶瓷浆料
[0018]按配比称取碳化硅微粉、碳化硼微粉、丙烯酰胺单体、N’N亚甲基双丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵、磷酸三丁酯，加入去离子水，球磨混合均匀；真空搅拌除泡；然后加入过硫酸铵溶液引发剂，在真空搅拌器中，边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持3-7分钟，使浆料均匀混合，并除去气泡。
[0019]⑵注模成型
[0020]将步骤(1)制得的浆料注入石英玻璃模具中，在25_35°C温度下固化10_18小时，脱模，制得规整的薄层碳化硅坯体；
[0021](3)坯体干燥
[0022]将步骤(2)制得的薄层碳化硅坯体移入40-50°C的干燥室中，置于表面平滑的石膏薄板之间抚平干燥，得注模坯体；
[0023](4)烧结
[0024]a.低温一次抚平定型
[0025]将步骤(3)制得的薄层碳化硅坯体装入真空炉中，置于表面平滑的石墨板下，以
2-5 0C /min的速率缓慢升温至200-300°C，保护气氛下保温1_3小时，对坯体进行抚平定型;
[0026]b.高温二次抚平烧结
[0027]将步骤a得到的抚平定型的薄层碳化硅坯体置入石墨高温真空炉中，上压表面平滑的石墨板，并在石墨板四角垫支垫片，垫片厚度为薄层碳化硅坯体厚度的1.05-1.15倍；在保护气氛下，2050-2180°C温度下保温1-3小时，制得致密平整的碳化硅陶瓷薄层材料。
[0028]所得薄层碳化娃陶瓷薄层材料可实现长100~1000mm、宽100~1000mm的大尺寸规格，且能保持平整、不翘曲、不开裂；体积密度为3.02~3.12g/cm3，维氏显微硬度>25GPa，断裂韧性> 4.5MPa.m1/2，防护能力达到NIJ0101.06标准规定的IV级防护要求。
[0029]根据本发明优选的，步骤⑴中所述的真空搅拌除泡，是将球磨混合的浆料加入真空搅拌器中，边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持10-30分钟，除去浆料中残留的气泡。
[0030]根据本发明优选的，步骤(1)中所述的过硫酸铵溶液引发剂是浓度为2-4wt%的过硫酸铵水溶液，其中过硫酸铵水溶液加入量占碳化硅质量比2.0-3.0wt%。
[0031]根据本发明优选的，步骤(2)中石英玻璃模具是干净、光滑的石英玻璃模具，脱模后切去不规整的边角，制得规整的薄层碳化硅坯体。
[0032]根据本发明优选的，步骤(3)中所述石膏薄板厚度为3.0-6.5_。所用石膏薄板尺寸可根据需干燥的碳化硅坯体薄片的尺寸确定。将薄层碳化硅坯体置于表面平滑的石膏薄板之间抚平干燥，以解决凝胶注模工艺制备大尺寸薄层陶瓷产品干燥过程中产生的翘曲、开裂等问题。
[0033]根据本发明优选的，步骤(4)中所述石墨板为厚度2.5-7.5_的石墨薄板，所用石墨薄板尺寸可根据在烧结的薄层碳化硅坯体薄片尺寸确定。
[0034]根据本发明优选的，步骤(4)a、b中所述的保护气氛是氩气或氮气。
[0035]根据本发明优选的，步骤(4)b中所述的石墨板四角垫支的垫片，是与待烧结的薄层碳化硅坯体材料相同的步骤(3)的注模坯体切片；石墨板四角垫支的垫片尺寸可根据石墨薄板的质量调整，优选为边长5-20mm的正方形垫片。
[0036]有益效果
[0037]1、本发明以丙烯酰胺单体为碳源替代直接碳源，既保证了碳元素的均匀分散，又提高了坯体强度，尤其适合凝胶注模工艺制备大尺寸碳化硅陶瓷薄层材料，解决了坯体干燥、烧结过程中易翘曲、开裂的问题。
[0038]2、本发明采用石墨薄板抚平烧结工艺，并在石墨薄板四角垫支同样配方及同样工艺制备的凝胶注模薄片，利用其等比例收缩的原理，保证石墨薄板始终贴紧而又不完全压在凝胶注模薄片上，既能解决烧结过程中产生的坯体翘曲变形问题，又能避免石墨薄板重压下薄层坯体无法移动收缩导致的开裂问题，同时还能多层叠放，提高装炉量。
[0039]3、本发明的SiC陶瓷薄层材料薄片的厚度为0.3-2.5_，产品长宽尺寸根据需要调整，可实现长100~1000mm、宽100~1000mm的大尺寸SiC陶瓷薄层产品的制备。
[0040]4、本发明的SiC陶瓷薄层材料薄片的硬度和断裂韧性好，是一种新型的叠层复合陶瓷材料，作为叠层装甲用防弹材料防护能力好。

[0041]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。
[0042]所述碳化硅微粉平均粒径为0.45 μ m,纯度> 98.5 %;所述碳化硼微粉平均粒径为
1.5-3.5 μ m，纯度≥93.5% ;市购产品。
[0043]实施例1:一种叠层装甲用SiC陶瓷薄层防弹材料的制备方法，步骤如下:
[0044]I)球磨混合
[0045]按质量份，分别称取平均粒径为0.45 μ m的碳化硅微粉100份，平均粒径为1.5 μ m的碳化硼微粉1份，丙烯酰胺单体20份、N’ N亚甲基双丙烯酰胺1.5份，四甲基氢氧化铵I份，磷酸三丁酯0.5份，加入38份的去离子水中，在滚筒球磨机中球磨10小时得到凝胶注模用碳化硅浆料。
[0046]2)真空搅拌除泡
[0047]将经步骤I)处理后的浆料加入真空搅拌器中，边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持20分钟，除去浆料中残留的气泡.[0048]3)加入引发剂
[0049]配置2.5wt.%的过硫酸铵水溶液作为引发剂，按质量份称取3份所述引发剂溶液加入经步骤2)处理后的浆料中，在真空搅拌器中边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持4分钟。
[0050]4 )注模成型
[0051]将经在经步骤3)处理后的浆料注入干净、光滑的石英玻璃模具中，玻璃尺寸为420mm X 420mm，玻璃间缝隙为1mm，在25 °C温度下固化12小时，脱模，切去不规整的边角，得到规整的、规格为400mm X 400mm X Imm的大尺寸薄层碳化娃还体。
[0052]5)抚平干燥
[0053]将步骤4)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体移入40°C的干燥室中，置于表面平滑的石膏薄板之间抚平干燥，石膏板尺寸为420mmX420mmX5mm，干燥时间20小时，得到规格为372mmX372mmX0.92mm的大尺寸薄层碳化娃还体。
[0054]6)低温一次抚平定型
[0055]将步骤5)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体装入真空炉中，置于表面平滑的石墨薄板下，石墨板尺寸为400mmX400mmX5mm。以3°C /min的速率缓慢升温至270°C,IS气气氛下保温2小时，对坯体进行抚平定型。
[0056]7)高温二次抚平烧结
[0057]将步骤6)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体置入石墨高温真空炉中，炉底为承重的平滑厚石墨板。在还体上压表面平滑的石墨薄板，石墨薄板尺寸为390mmX390mmX4mm,并在石墨薄板四角垫支同样配方工艺制备的厚度为1_、边长12_四方形注模还片，在IS气气氛下，2160°C温度下保温1.5小时，得到规格为298mmX298mmX0.75mm、致密平整的大尺寸薄层碳化硅陶瓷薄层材料。
[0058]经检测，所得薄层碳化硅陶瓷材料的体积密度为3.10g/cm3,维氏显微硬度26.7Gpa,断裂韧性 5.57MPa.m1/2。
[0059]实施例2: —种叠层装甲用SiC陶瓷薄层防弹材料及其制备方法，步骤如下:
[0060]I)球磨混合
[0061 ] 按质量份，分别称取平均粒径为0.45 μ m的碳化硅微粉100份，平均粒径为3.5 μ m的碳化硼微粉1.5份，丙烯酰胺单体22份、N’N亚甲基双丙烯酰胺1.6份，四甲基氢氧化铵1份，磷酸三丁酯0.5份，加入41份的去离子水中，在滚筒球磨机中球磨12小时得到凝胶注模用碳化硅浆料。
[0062]2)真空搅拌除泡
[0063]将经步骤I)处理后的浆料加入真空搅拌器中，边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持20分钟，除去浆料中残留的气泡.[0064]3)加入引发剂
[0065]配置2.5wt.%的过硫酸铵水溶液作为引发剂，按质量份称取3份所述引发剂加入经步骤2)处理后的浆料中，在真空搅拌器中边搅拌边抽真空至-0.08MPa，保持4分钟。
[0066]4)注模成型
[0067]将经在经步骤3)处理后的浆料注入干净、光滑的石英玻璃模具中，玻璃尺寸为320mmX 320mm,玻璃间缝隙为0.8mm,在25°C温度下固化15小时，脱模，切去不规整的边角，得到规整的、规格为300mmX300mmX0.8mm的大尺寸薄层碳化娃还体。
[0068]5)抚平干燥
[0069]将步骤4)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体移入40°C的干燥室中，置于表面平滑的石膏薄板之间抚平干燥，石膏板尺寸为320mmX320mmX5mm，干燥时间25小时，得到规格为282mmX282mmX0.74mm的大尺寸薄层碳化娃还体。
[0070]6)低温一次抚平定型
[0071]将步骤5)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体装入真空炉中，置于表面平滑的石墨薄板下，石墨板尺寸为300mmX300mmX4mm。以2.5°C /min的速率缓慢升温至250°C，氩气气氛下保温2.5小时，对坯体进行抚平定型。 [0072]7)高温二次抚平烧结
[0073]将步骤6)得到的大尺寸薄层碳化硅坯体置入石墨高温真空炉中，炉底为承重的平滑厚石墨板。在还体上压表面平滑的石墨薄板，石墨薄板尺寸为300mmX300mmX4mm,并在石墨薄板四角垫支同样配方、工艺制备厚度为0.8_、边长10_四方形凝胶注模还片,在氩气气氛下，2140°C温度下保温2小时，得到规格为228mmX228mmX0.59mm致密平整的大尺寸薄层碳化硅陶瓷薄层材料。
[0074]经检测，所得碳化硅陶瓷薄层材料的体积密度为3.08g/cm3，维氏显微硬度25.9GPa,断裂韧性 5.48MPa.m1/2。
[0075]实施例1-2制得的碳化硅陶瓷薄层材料进行弹道测试，使用53式7.62mm穿甲燃烧弹，子弹速度840m/s时，其防护能力达到NIJ0101.06标准规定的IV级防护要求。