【摘 要】碳化硅防彈陶瓷可以通過不同生產工藝進行生產。主要有反應燒結工藝、熱壓燒結工藝、無壓燒結制備等。本文主要總結幾種常規碳化硅防彈陶瓷制備方法。

【關鍵詞】納米碳化硅；防彈材料；研究進展；碳化硅防彈陶瓷

1引言

防彈材料主要應用于戰時人體、戰車、艦船和飛機特定部位的防護。目前人體防護主要采用在軟體防彈衣上疊加陶瓷插板的結構形式，在其中起到主要防彈作用的陶瓷材料必須具備高硬度、高彈性模量和較低的密度，目前的陶瓷防彈材料通常選用氧化鋁、碳化硅、碳化硼和氮化硅等。

 氧化鋁因其成本低而在防彈上得到更廣泛的應用, 但其防彈等級最低、密度也最大; 碳化硼防彈性能最好、密度最小, 但其價格最為昂貴; 碳化硅陶瓷材料在成本、防彈性能和密度指標方面均介于二者之間, 因而最有可能成為氧化鋁防彈陶瓷的升級換代產品。低成本化與高性能化是實現這種升級換代的必然途徑。

 碳化硅防彈陶瓷可以通過不同生產工藝進行生產。主要有反應燒結工藝、熱壓燒結工藝、無壓燒結制備等。

2 常規碳化硅防彈陶瓷制備方法

2.1 反應燒結防彈陶瓷

2.1.1陶瓷壓坯制備

將陶瓷粉體80-90%（由碳化硅粉末和碳化硼粉末的一種或兩種粉末組成）、碳源粉末3-15%（由炭黑、酚醛樹脂的一種或兩種組成）和成型劑 5-15%（為酚醛樹脂、聚乙二醇、羥甲基纖維素或石蠟）使用球磨機混合均勻，獲得混合粉末，經噴霧干燥制粒后，在模具中壓制成形，得到具有各種特定形狀的陶瓷壓坯。

2.1.2燒結熔滲劑壓坯制備

將硅粉60-80%、碳化硅粉3-10%和氮化硼粉37-10%混合均勻，在模具中壓制成形得到燒結熔滲劑的壓坯。

2.1.3反應燒結陶瓷產品制備 

將陶瓷壓坯和燒結熔滲劑壓坯疊放在一起，在真空度不低于 5×10-1 Pa 的真空爐中，升溫到 1450-1750℃進行燒結保溫 1-3 h，得到反應燒結陶瓷產品。

將燒結陶瓷表面的熔滲劑殘留物輕敲后去除，得到致密的陶瓷片，并保持了壓坯原有的形狀。

2.1.4碳化硅木質陶瓷的制備

   采用反應燒結的工藝, 即: 高溫下具有反應活性的液相硅或硅合金, 在毛細管力的作用下滲入含有碳多孔陶瓷素坯中, 并與其中的碳反應生成碳化硅, 生成碳化硅會發生體積膨脹, 剩余的孔隙被單質硅填充。多孔陶瓷素坯可以是純碳或碳化硅 /碳基復合材料, 前者是將有機樹脂、孔形成劑及溶劑混合后催化固化并將其熱解得到多孔碳, 后者是將碳化硅顆粒 / 樹脂基復合材料熱解得到碳化硅 / 碳基復合材料, 或者以 α-SiC 、碳粉為起始原料, 采用壓制或注漿成型的工藝得到該復合材料。

2.2 固相燒結碳化硅防彈陶瓷制備方法

2.2.1原料的混合

按重量百分比將亞微米級α碳化硅（200-500nm）70-90%、碳化硼0.1-5%、樹脂4-20%、有機物粘結劑5-20%，放入混料機中加入純水進行濕法混合，6-48小時后將混合好的料漿過60-120目篩；

2.2.2噴霧造粒

將過篩后的料漿通過噴霧造粒塔進行噴霧造粒，噴霧造粒塔的進口溫度180-260℃，出口溫度60-120℃；造粒后的物料松裝密度為0.85-0.92g/cm3 ，流動性為8-11s/30g；將造粒后的物料過60-120目篩后備用；

2.2.3成型

根據所需制品形狀選取模具，將上述造粒后的物料裝入模具型腔內，在50-200MPa壓力進行常溫模壓成型，得生坯；或將模壓成型后的生坯再放入等靜壓設備中，以200-300MPa壓力進行等靜壓，得二次壓制后的生坯；

2.2.4真空燒結

將上述步驟制備出的生坯，放入真空燒結爐中進行燒結后，檢驗合格的即為碳化硅防彈陶瓷成品；上述燒結過程中，首先對燒結爐進行抽真空，當真空度達到3-5×10-2 Pa后，向燒結爐內通惰性氣體至常壓后進行加熱，加熱溫度與時間的關系為：室溫至800℃、5-8小時，保溫0.5-1小時，從800℃至2000-2300℃、6-9小時，保溫1到2小時，之后隨爐冷卻，降至室溫出爐。

2.3 無壓燒結碳化硅防彈陶瓷制備方法

2.3.1混料球磨

將碳化硅超細粉（50-500nm） 96-99 份，碳化硼超細粉（50-500nm） 1-2 份，納米級硼化鈦(30-80nm)0.2-1份，水溶性酚醛樹脂10-20 份，高效分散劑 0.1-0.5份加入到球磨機中進行球磨混料24 小時，將混合好的漿料放入攪拌桶中進行攪拌 2 小時以排除漿料中的氣泡。

2.3.2噴霧造粒

將上述混合料噴入造粒塔內，通過控制噴霧壓力、進風溫度、出風溫度、噴片粒徑獲得顆粒形態好、流動性好、顆粒分布范圍窄、水分適中的造粒粉，離心變頻26-32，進風溫度 250-280℃，出風溫度 100-120℃，進漿壓力 40-60。

2.3.3干壓成型

將上述造粒粉置于硬質合金模具內進行壓制得到生坯，壓制方式為雙向加壓，機床壓力噸位為 150-200 噸。

2.3.4生坯固化

將壓制好的生坯放入干燥箱中進行干燥固化，得到生坯強度較好的生坯。

2.3.5真空燒結

將上述固化好的生坯置于石墨坩堝中緊密排列整齊，然后將裝好生坯的石墨坩堝放入高溫真空燒結爐中進行燒制，燒成溫度為 2200-2250℃，保溫時間為 1-2 小時，最終制得高性能無壓燒結碳化硅防彈陶瓷。

3 總結

采用熱壓燒結工藝制造的陶瓷性能較好，但隨之生產成本也大幅提高 ；采用無壓燒結制備的陶瓷，其原料要求較高，燒結溫度高，制品尺寸變化較大，工藝復雜且性能不高；采用反應燒結工藝所生產的陶瓷產品致密度高，防彈性能較好，且制備成本相對較低。

碳化硅陶瓷材料在成本、防彈性能和密度指標方面均介于碳化硼和氧化鋁陶瓷之間, 因而最有可能成為氧化鋁防彈陶瓷的升級換代產品。低成本化與高性能化是實現這種升級換代的必然途徑。

【參考文獻】

1 王艷香, 譚壽洪, 江東亮 . 反應燒結碳化硅的研究與進展 . 無機材料學報 , 2004 , 19 ( 3 ) : 456～462

2 Toshitaka Ota , Minoru Taka-hashi , et al. Biomimetic process for producingSiC “ wood ” . Journal of the American Ceramic Society ,1995 , 78 ( 12 ): 3409～3411

3 嚴自力 馬 天 張建春.SiC木質陶瓷及其在防彈中的應用

4 方寧象 張國軍等.反應燒結陶瓷防彈插板及反應燒結防彈陶瓷的制備方法

5 趙文林　段春雷　宋偉. 固相燒結碳化硅防彈陶瓷及其制備方法

6 徐正平 徐乃安 龍成勇.一種高性能無壓燒結碳化硅防彈陶瓷及其制備方法

作者：陳欣    

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