[发明专利]以碳化硅晶须增韧的防弹装甲用氧化铝复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及防弹装甲用复合材料领域，具体为一种以碳化硅晶须增韧的防弹装甲用氧化铝复合陶瓷材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为5％～80％的碳化硅晶须和氧化铝组成，微观上碳化硅晶须在氧化铝基体中沿一组平行的平面择优排列。该复合材料的制备方法：对含有碳化硅晶须和氧化铝粉体的水基浆料进行冷冻铸造和真空冷冻干燥处理，得到具有定向片层结构的多孔坯体，依次对坯体进行压力成型、去有机质和烧结致密化处理，得到以碳化硅晶须增韧的氧化铝复合陶瓷材料。本发明复合陶瓷材料的断裂韧性、冲击韧性和抗多次冲击性能相比于单一的碳化硅和氧化铝陶瓷均有显著提升，有望应用于防弹装甲领域，有效提升防弹装甲的防护能力和耐用性。

技术领域

本发明涉及防弹装甲用复合材料领域，尤其涉及一种以碳化硅晶须增韧的防弹装甲用氧化铝复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着世界军事科技的飞速发展，防弹装甲越来越受到各国的重视。防弹装甲材料的研发和生产能力是国家军事实力的体现，也是维护国民安全的重要保证。高强度、高硬度、高韧性、低密度是优质防弹装甲材料应具有的重要特性，而陶瓷材料因具有高强度、高硬度、低密度和良好的吸能、耐磨损等优异特性，广泛应用于防弹装甲领域。目前，防弹装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼等。其中，氧化铝陶瓷的硬度偏低(～1600HV)、密度偏大(3.5～3.9g/cm³)，抗弹性能较差，但烧结性能好、生产加工成本低且原料丰富；碳化硼陶瓷硬度高(～3000HV)、密度小(～2.5g/cm³)，抗弹性能好，但不易烧结且成本较高；碳化硅陶瓷的硬度(～2700HV)、密度(～3.2g/cm³)、防弹性能和成本均介于上述两者之间。目前氧化铝陶瓷及其复合材料仍是目前使用最广泛的防弹装甲陶瓷材料。

然而，单一陶瓷材料很难满足优质防弹装甲材料所需要的良好韧性。陶瓷材料本身的强共价键往往导致其断裂韧性低，对缺陷、裂纹异常敏感，并且抗冲击性能差，尤其难以抵抗二次和多次冲击，这极大限制防弹装甲陶瓷的防护效果和使用寿命。针对这一力学性能缺点，现有技术一方面通过调控材料的微观结构(如：晶粒形状、尺寸等)以及消除或减少缺陷进行来改善材料韧性，另一方面通过添加第二相颗粒、晶须或纤维等制备复合材料来进行增韧。

中国专利(公开号CN101555142A)采用注凝成型法，通过向氧化铝陶瓷中添加纳米碳化硅颗粒来增韧氧化铝陶瓷基体。中国专利(授权公告号CN104761246B)以铝矾土粉体和微米级的碳化硅颗粒为主要原料，经湿式混合、干燥、预煅烧以及成型和烧结制备氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。尽管以上方法可以从一定程度上提高氧化铝陶瓷的韧性，但是所制备的材料的断裂韧性仍然偏低，并且抗二次和多次冲击能力差的问题也没能得到解决，并且以上复合材料均表现为各向同性，很难实现材料的力学性能优势在实际应用中沿特定使用方向充分发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以碳化硅晶须增韧的防弹装甲用氧化铝复合陶瓷材料及其制备方法，通过微观定向结构设计与控制，使碳化硅晶须在氧化铝基体中沿一组平行的平面择优排列，从而在保留氧化铝基体的高强度、高硬度等优点的前提下，进一步降低材料的密度，并显著提高其断裂韧性、冲击韧性和抗多次冲击性能，从而提升防弹装甲用陶瓷材料的防护效果和耐用性。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种以碳化硅晶须增韧的防弹装甲用氧化铝复合陶瓷材料，所述的复合陶瓷材料由碳化硅晶须和氧化铝组成，以体积百分数计，碳化硅晶须含量为5％～80％，其余为氧化铝；微观上复合陶瓷材料具有定向结构，表现为碳化硅晶须在氧化铝基体中沿一组平行的平面择优排列。

所述的复合材料的密度为3.1～3.6g/cm³，抗弯强度不低于420MPa，维氏硬度不低于15GPa，断裂韧性不低于4.5MPa·m^1/2，冲击韧性不低于9kJ·m^-2。