[发明专利]一种层状复合碳化硼基陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种层状复合碳化硼基陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

碳化硼具有密度低、抗酸碱腐蚀能力好、中子吸收能力强的特点，而且还具有超高的硬度，特别是其恒定的高温硬度是其他材料所无法比拟的，是适应防弹材料轻质高硬度等需求的陶瓷材料之一。

陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温蠕变性能小、高温下耐磨性优异、热膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，其在防弹的吸能效应、磨损效应、动力学效应等方面都明显优于金属材料、高分子材料及其复合材料，并在军工防护中获得了实际的应用，已成为装甲防护中的三大主导材料之一。世界各国对陶瓷复合防弹材料的研究都高度重视，这种研究主要集中在陶瓷-金属复合、陶瓷-聚脂薄片复合、钢-陶瓷-钢复合等方面，这些复合材料均属于宏观上的层状复合材料，即层与层之间存在明显界面且各层之间发生物理性能突变的层状复合材料。由陶瓷和金属复合而成的陶瓷-金属复合材料, 尽管具有很多优点, 但在内部应力增大时, 会导致材料的破坏，并且其密度由于金属的存在相对陶瓷材料来说用于装甲防弹材料上也不具优势。另一方面，陶瓷与聚脂薄片的复合材料虽然符合防弹材料对轻质的要求，但由于材料特性的突变引起的层间应力集中、容易导致层裂破坏等不利因素。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种层状复合碳化硼基陶瓷材料及其制备方法，该层状复合材料质量轻，硬度和强度高。

一种层状复合碳化硼基陶瓷材料，其要点在于由基体层B₄C陶瓷层与复合层构成，其中基体层B₄C陶瓷层的成分为94.5wt%B₄C，2.5wt%钛粉和3wt%炭黑；复合层组成为Al/B₄C渗铝层或Al/B₄C渗铝层和TiB₂/B₄C中间层；所述的Al/B₄C渗铝层由多孔碳化硼预烧体层经真空熔渗铝后制得，渗入的铝占整个渗铝层质量的20wt%；所述的TiB₂/B₄C中间层由B₄C和TiB₂粉体按质量比B₄C:TiB₂=7:3配料经热压成型和熔渗后得到；

多孔碳化硼预烧体层是由平均粒径分别为4.4μm和260μm的两种碳化硼粉末按质量比7:3混合，经热压预烧而成,。

当层状复合碳化硼基陶瓷材料的B₄C陶瓷层为受力面时，其硬度为33.0-34.2GPa，断裂韧性为4.8-6.0MPa·m^1/2，抗弯强度为266.0-275.0MPa；当层状复合碳化硼基陶瓷材料的Al/B₄C渗铝层为受力面时，其硬度为72.5HRA，断裂韧性为5.8-6.1MPa·m^1/2，抗弯强度为88.0-168.4MPa。

本发明一种层状复合碳化硼基陶瓷材料的制备方法按以下步骤进行：

（1）基体层和复合层按照比例进行配料， B₄C陶瓷基体层原料按平均粒径为4.4μm的碳化硼粉体占原料总量94.5 wt%，平均粒径为48μm的钛粉占原料总量2.5wt%和平均粒径为0.8μm 的炭黑占原料总量3wt%进行配料；复合层中多孔碳化硼预烧体层原料按粒径为260μm的B₄C粉体和粒径为4.4μm的B₄C粉体质量比7:3配料；配料完成后进行球磨混料，对B₄C陶瓷基体层原料进行球磨湿混6h，球磨介质为无水乙醇，球磨球为Si₃N₄球，然后在烘箱中于60℃烘干18h；对复合层的多孔碳化硼预烧体层两种不同粒度的碳化硼粉末球磨干混4h，球磨介质为弹簧状铁丝，得到分别混合均匀的粉体；将混合均匀两层粉体共同在5.5~6MPa压力下逐层模压成型，得到双层复合粉体；