[发明专利]一种碳化硼陶瓷片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于防弹陶瓷领域，具体涉及一种碳化硼陶瓷片的制备方法。

背景技术

随着科技的快速发展，战场上面临的威胁越来越大，使得防弹装甲材料日益朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度的方向发展。传统金属防弹材料由于密度大，使得车辆、船舶和飞机不得不牺牲其有效载荷，同时过厚的装甲又降低了设备的操作灵活性，因此，轻质防弹材料已经成为目前的研究热点和发展趋势。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、密度低等优良的性能，以及吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的。其中B₄C陶瓷具有比重轻（2.52g/cm³）、硬度高（～36GPa）、弹性模量大（～45GPa），以及良好的化学稳定性等优异性能，是现代轻质高效防弹装甲首选的抗弹陶瓷，已在美、英等先进国家的士兵防护、军机防护、车辆防护等领域得到广泛的应用。钛合金具有优良的硬度和韧度，其密度也低于装甲钢，尽管密度仅是装甲钢的60%，但其强度可与均质钢媲美，韧度也要优于大多数铝合金装甲，综合防护性能比同等重量的均质钢装甲优越30%-40%。

B₄C的熔点高达2350℃，纯B₄C材料因其高共价键含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添加烧结助剂促进其烧结。另外，B₄C陶瓷的低韧性严重影响其抗弹性能。因此可以采取成分及结构复合的方式来提高B₄C陶瓷的韧性。目前B₄C陶瓷的制备主要是热压烧结、无压烧结、反应烧结三种工艺。其中热压烧结是制备高性能碳化硼陶瓷的主要方法，一般用细碳化硼粉末在2100℃即可得到相对密度大于98%的碳化硼制品。目前，制备大尺寸陶瓷装甲仍然面临较大的困难。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种碳化硼陶瓷片的制备方法，该方法包括以下步骤：1）配制1-2wt%石墨烯溶液，加入分散剂，，通过超声、搅拌或球磨方式均匀分散，获得石墨烯均匀分散的溶液；2）加入碳化硼原料粉末中，选用平均粒径为3-5 um的碳化硼粉末作为原料，添加3%-4%的石墨粉作为烧结助剂，石墨粉的平均粒径为1-2 um；3）将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液混合球磨形成浆料；4）造粒，烘干得到造粒粉；5）将造粒粉装入模具，热压烧结。

作为优选，所述步骤1）中的石墨烯溶液为石墨烯的酒精溶液或石墨烯的水溶液。

作为优选，所述步骤1）中的分散剂为N-甲基吡咯烷酮。

作为优选，所述步骤1）中石墨烯的片径＞1um，层数＜10层，石墨烯的添加量为碳化硼原料粉末的1-5wt%。

作为优选，所述步骤3）中将碳化硼原料粉末和石墨烯溶液加入球磨机中球磨8-10h，球磨机转速为30-50rpm，球料比2：1。

作为优选，所述造粒机的喷盘转速350转/分钟，超声频率40-60KHz，造粒粉烘干温度100～110℃。

作为优选，将造粒粉装入石墨模具中进行热压，温度2000-2200℃，压力20-50MPa，烧结时间30-60min。

作为优选，所述模具为正六角形模具

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的碳化硼陶瓷板由陶瓷片拼接而成，所述陶瓷片中高度分散的石墨烯是二维材料，可通过表面改性和修饰，显著降低石墨烯层片之间的相互吸引力而避免团聚, 在一些液体介质中有很好的分散性和稳定性，从而可以制备稳定分散的石墨烯溶液，将其与陶瓷基体浆料混合，可得到植入效果良好的石墨烯-陶瓷混合原料，石墨烯是通过钉扎陶瓷界面、诱导裂纹偏转、分叉以及裂纹桥联、石墨烯断裂和拔出吸能等机制起到强化韧化作用。本公司采用自主开发的石墨烯增韧热压碳化硼技术，将石墨烯均匀分散在碳化硼粉末中，之后采用热压烧结，获得了性能优良的碳化硼陶瓷材料，加入石墨烯后其抗弯强度从大约350MPa提高到了500MPa以上，综合防弹性能大大增强。正六角形陶瓷模具得到的六角形陶瓷片的设计有利于陶瓷片的合理排布和紧密结合，以及相互约束，方便陶瓷板的拼接有利于制备大尺寸的防弹装甲。

附图说明

图1为本发明提供的造粒机的结构示意图；

图2为本发明提供的陶瓷片的俯视图；

图3为本发明提供的陶瓷片的侧视图；

图4为本发明提供的碳化硼钛合金复合装甲的俯视图；

图5为本发明提供的碳化硼钛合金复合装甲的剖视图。