[发明专利]氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于防弹材料的技术领域；特别涉及一种抗穿甲、耐高温、防爆炸的氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法。

背景技术

在反暴、反恐斗争和现代战争中，防弹材料可以减小伤亡、提高战斗力，增加胜利因素。传统弹材料主要有防弹钢板、陶瓷复合材料、石墨复合材料、凯夫拉纤维(AF)复合材料和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料等。以防弹衣为例，世界上先进的复合材料军用防弹衣的基本结构大体相似：主要包括融合战术背心功能的外套、采用芳纶或超高分子量聚乙烯纤维制成的软质防弹层，以及加强防护用的防弹插扳。外套除了可以容纳软制防弹层或硬制防弹板外，还可携带各种战术装备；软体防弹层可以防御手枪弹、微型冲锋枪弹以及破片的攻击；硬制防弹板则为人体的前胸、后背等致命部位提供加强防护，最高可抵御现役突击步枪穿甲弹的攻击。这种硬体防弹板可根据危险程度的高低，选择安装不同防弹级别的插板。然而，随射弹技术发展，遇阻爆炸类射弹在军事上的使用逐渐增加。这类炸弹会在撞击防弹材料的瞬间产生高温，导致有机类(或碳纤维)和金属类材料的应用受到局限，而传统陶瓷靠破裂吸收射弹动能的“硬碰硬”防弹措施又不满足重复使用的需求。

发明内容

为克服上述背景技术的不足，本发明提出一种氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法，采用石英纤维与硬质陶瓷复合组件的形式制备防弹材料，利用陶瓷高硬度抵御射弹穿甲作用，利用纤维编织体弹性缓冲射弹冲击，防止陶瓷破裂，利用二者的耐高温特性，减缓爆炸高温杀伤力。

本发明涉及的氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹陶瓷的制备方法是这样实现的：首先采用石英连续纤维通过编织获得石英纤维编织体，并在其表面涂覆莫来石晶须与硅溶胶混合液；然后通过含氧化硼组分的中间层与氧化锆陶瓷片组合，经高温焙烧获得氧化锆陶瓷与石英纤维编织体的组合材料。

上述氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法中，氧化锆陶瓷为含稳定剂的增韧氧化锆陶瓷，烧成温度在1450-1600℃，室温抗弯强度不低于500MPa、室温断裂韧性不低于8MPa·m^1/2。

上述氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法中，涉及两个关键技术难点，一是现有国产连续石英纤维在800℃时开始析晶脆化，成为整体组件耐温性的制约因素；二是将氧化锆陶瓷与石英纤维连接组合时，氧化锆和石英的膨胀系数差异极大(ZrO₂约为9.6×10^-6/℃，石英纤维约为0.54×10^-6/℃)，难以获得高质量连接。

为改进适应纤维耐温性，本研究提出了纤维编织体浸渍含莫来石晶须的硅溶胶技术措施：将5wt％莫来石晶须分散在10％固相含量的硅溶胶液中，形成晶须-溶胶混合液，通过真空压力浸渍方法，将混合液浸渍在纤维编织体表面，然后烘干、煅烧600℃。此时硅溶胶转变成氧化硅，在纤维表面形成莫来石晶须-氧化硅薄膜，利用莫来石晶须的隔热耐温，防止石英的高温析晶，提高整体耐温性。浸渍工艺可重复多次，随浸渍次数增加，纤维表面致密度增加。

为使氧化锆和石英纤维的热膨胀系数匹配，本发明中采用含氧化硼、氧化锆和氧化硅的混合物，其中氧化硼含量在50-100％(质量比)，氧化锆和氧化硅比例为1∶1(体积比)。其依据是利用氧化硼高温状态(600-900℃)在石英纤维中的扩散，使其与氧化硅形成不同硼硅比的硼硅玻璃(沿硼扩散方向，硼含量减少)，按不同硼硅比的组分材料的热膨胀系数规律——随着硼含量的减少，热膨胀系数减小。这使石英纤维表面富硼处具有较高的热膨胀系数，与氧化锆陶瓷匹配，实现氧化锆陶瓷与石英纤维体的可靠连接。

本发明提出的氧化锆陶瓷-石英纤维编织体组合防弹材料的制备方法比其他防弹材料的积极效果在于：氧化锆陶瓷耐温、又具有高韧性，石英纤维编织体具有高弹性，石英纤维编织体涂覆含莫来石晶须的硅溶胶后，进一步增加了石英纤维的耐温性，采用含氧化硼的中间相可使氧化锆陶瓷与纤维编织体在600-900℃获得高质量连接，如此，整体组件呈现耐高温、硬度高、弹性好的特性，从而有效抵御射弹的高速冲击和爆炸高温。耐温、防爆特性优于含金属和高分子类防弹材料，耐冲击、安全可靠方面优于硬质陶瓷类防弹材料。

具体实施方式

实施例1：