[发明专利]一种碳化硼/碳化硅层状复合陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明提供一种碳化硼/碳化硅层状复合陶瓷材料的制备方法及根据该方法所制备的产品，制备步骤包括：分别制备基体层和分隔层陶瓷浆料，采用凝胶注模法在模具中交替浇注基体层和分隔层陶瓷，之后进行排胶、真空热压烧结，对排胶、烧结温度及升温速度、烧结压力进行调控限定，制备得到的碳化硼/碳化硅层状陶瓷界面清晰、致密性好，材料具有高损伤容忍性和优异的抑制裂纹扩展能力。本发明制备的碳化硼/碳化硅层状复合陶瓷材料可应用于轻质防弹装甲制造领域。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及碳化硼陶瓷材料的热压烧结制备工艺，尤其是一种碳化硼/碳化硅层状复合陶瓷材料的制备方法。

背景技术

碳化硼和碳化硅陶瓷材料具有超高硬度、耐高温、不易变形、质量轻等诸多优点，被用作耐高速高能冲击材料，但陶瓷的脆性，使其对缺陷的容忍性极低，在高速高能冲击过程中极易失效，难以抵抗多次冲击。

层状陶瓷材料由于具有高缺陷容忍性、高吸能的能力以及结构可设计等优点，具有满足抗高速高能冲击要求的潜力。目前公开的研究文献主要集中在具有多孔界面或者低强度的弱界面等层状陶瓷方面，通过层状材料中较弱的分隔层或较弱的层间界面，使裂纹在扩展到分隔层时发生偏转，进而引发大量的增韧机制，消耗大量的能量，最终达到提高陶瓷材料韧性的目的。这种材料虽然具有较好的静态力学性能，但由于界面强度低且界面结合强度低，在动态载荷作用下易因为界面破坏和脱粘而失效，限制了其结构完整性和能量吸收能力的提升，并不适合应用于防弹装甲领域。

本发明提出的制备方法能方便地调制陶瓷基体层和界面层的厚度比，避免较高强度的冲击应力波在界面内发生叠加，通过限定制备工艺，制备得到的层状陶瓷界面清晰、致密性好，材料具有高强度、高损伤容忍性和优异的抑制裂纹扩展能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备碳化硼/碳化硅层状陶瓷的工艺方法，以及这种层状陶瓷在装甲防护领域的应用。

本发明的技术方案是通过下述工艺步骤而得以实现的：

所述制备方法包括如下步骤：

（1）将单体、交联剂和分散剂溶解于水中，制成单体溶液，其中单体、分散剂和交联剂的质量浓度分别为1.5%~5.0%、0.3%~1.2%、0.1%~0.3%；

（2）取两份单体溶液，在两份单体溶液中分别加入如权利要求1所述的基体层陶瓷粉末和分隔层陶瓷粉末，均经高能球磨20~40小时后分别得到基体层混合浆料和分隔层混合浆料，陶瓷粉末的质量浓度为40%~80%；

（3）将步骤（2）得到的两种混合浆料分别在真空中搅拌抽气10~30分钟后，加入引发剂并搅拌均匀，分别得到基体层陶瓷初始料浆和分隔层陶瓷初始料浆，其中引发剂的质量浓度分别为0.1%~0.3%；

（4）将步骤（3）获得的基体层和分隔层陶瓷初始料浆在模具中交替浇注在模具中，凝固后得到层状复合陶瓷材料坯体；

（5）将装有坯体的模具在空气气氛下，先以 < 5℃/分钟的速度慢速升温至300~400℃，保温2~4小时进行排胶处理，待有机物完全排尽后，将坯体转移到石墨模具中；

（6）坯体在真空炉中热压烧结，升温速率为5~20℃/min，热压烧结温度为1950~2150℃，保温时间1~2小时，并在烧结过程中施加30~50 MPa的压力。

优选的，步骤（1）所述单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为亚甲基双丙烯酰胺，分散剂为聚丙烯酸铵和聚乙烯吡咯烷酮混合物，其中聚丙烯酸铵和聚丙烯酸铵的质量比为3:1；步骤（3）所述引发剂为过硫酸铵。

优选的，所述步骤（4）所述层状复合陶瓷的层数为3层、5层或7层，其中基体层陶瓷初始料浆位于复合材料的表面，分隔层陶瓷初始料浆位于两个基体层陶瓷初始料浆之间。