一种层状复合碳化硼基陶瓷材料及其制备方法技术

一种层状复合碳化硼基陶瓷材料及其制备方法属于材料技术领域。该层状复合碳化硼基陶瓷材料由基体层B4C陶瓷层与复合层构成梯度分布材料，其中双层复合碳化硼基陶瓷材料的组成为Al/B4C-B4C,三层复合碳化硼基陶瓷材料的组成为Al/B4C-TiB2/B4C-B4C。其制备方法包括配料成形、热压预烧和真空熔渗三个步骤。本发明专利技术的层状复合陶瓷材料质量轻，各层基体均为B4C，材料的层与层之间的结合非常完好，通过多层复合大大提高了材料的抗冲击能力，在单一碳化硼材料的基础上提高了材料的断裂韧性，在防弹材料领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷材料
，具体涉及。
技术介绍
碳化硼具有密度低、抗酸碱腐蚀能力好、中子吸收能力强的特点，而且还具有超高的硬度，特别是其恒定的高温硬度是其他材料所无法比拟的，是适应防弹材料轻质高硬度等需求的陶瓷材料之一。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温蠕变性能小、高温下耐磨性优异、热膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，其在防弹的吸能效应、磨损效应、动力学效应等方面都明显优于金属材料、高分子材料及其复合材料，并在军工防护中获得了实际的应用，已成为装甲防护中的三大主导材料之一。世界各国对陶瓷复合防弹材料的研究都高度重视，这种研究主要集中在陶瓷-金属复合、陶瓷-聚脂薄片复合、钢-陶瓷-钢复合等方面，这些复合材料均属于宏观上的层状复合材料，即层与层之间存在明显界面且各层之间发生物理性能突变的层状复合材料。由陶瓷和金属复合而成的陶瓷-金属复合材料，尽管具有很多优点，但在内部应力增大时，会导致材料的破坏，并且其密度由于金属的存在相对陶瓷材料来说用于装甲防弹材料上也不具优势。另一方面，陶瓷与聚脂薄片的复合材料虽然符合防弹材料对轻质的要求，但由于材料特性的突变引起的层间应力集中、容易导致层裂破坏等不利因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供，该层状复合材料质量轻，硬度和强度高。一种层状复合碳化硼基陶瓷材料，其要点在于由基体层B4C陶瓷层与复合层构成，其中基体层B4C陶瓷层的成分为94. 5wt%B4C, 2. 5wt%钛粉和3wt%炭黑；复合层组成为Al/B4C渗铝层或AVB4C渗铝层和TiB2/B4C中间层；所述的A1/B4C渗铝层由多孔碳化硼预烧体层经真空熔渗铝后制得，渗入的铝占整个渗铝层质量的20wt% ;所述的TiB2/B4C中间层由B4C和TiB2粉体按质量比B4C:TiB2=7:3配料经热压成型和熔渗后得到； 多孔碳化硼预烧体层是由平均粒径分别为4. 4 μ m和260 μ m的两种碳化硼粉末按质量比7:3混合，经热压预烧而成，。当层状复合碳化硼基陶瓷材料的B4C陶瓷层为受力面时，其硬度为33. 0-34. 2GPa，断裂韧性为4. 8-6. OMPa ·πι1/2，抗弯强度为266. 0-275. OMPa ;当层状复合碳化硼基陶瓷材料的AVB4C渗铝层为受力面时，其硬度为72. 5HRA，断裂韧性为5. 8-6. IMPa ·πι1/2，抗弯强度为88.0-168. 4MPa。本专利技术一种层状复合碳化硼基陶瓷材料的制备方法按以下步骤进行(I)基体层和复合层按照比例进行配料，B4C陶瓷基体层原料按平均粒径为4. 4 μ m的碳化硼粉体占原料总量94. 5 wt%,平均粒径为48 μ m的钛粉占原料总量2. 5wt%和平均粒径为O. 8 μ m的炭黑占原料总量3被％进行配料；复合层中多孔碳化硼预烧体层原料按粒径为260 μ m的B4C粉体和粒径为4. 4 μ m的B4C粉体质量比7:3配料；配料完成后进行球磨混料,对B4C陶瓷基体层原料进行球磨湿混6h，球磨介质为无水乙醇，球磨球为Si3N4球，然后在烘箱中于60°C烘干18h ;对复合层的多孔碳化硼预烧体层两种不同粒度的碳化硼粉末球磨干混4h，球磨介质为弹簧状铁丝，得到分别混合均匀的粉体；将混合均匀两层粉体共同在5. 5飞MPa压力下逐层模压成型，得到双层复合粉体； 或者B4C陶瓷基体层原料按平均粒径为4. 4μ m的碳化硼粉体占原料总量94. 5 wt%,平均粒径为48 μ m的钛粉占原料总量2. 5wt%和平均粒径为O. 8 μ m的炭黑占原料总量3wt%进行配料；复合层中多孔碳化硼预烧体层中原料按粒径为260 μ m的B4C粉体和粒径为4. 4μ m的B4C粉体质量比7:3配料，B4C/TiB2中间层按质量比B4C TiB2=7 3进行配料，碳化硼粉体的平均粒径4. 4 μ m，TiB2粉体的平均粒径为5 μ m ;配料完成后进行球磨混料，对B4C陶瓷基体层原料和复合层的TiB2/B4C中间层原料进行球磨湿混6h，球磨介质为无水乙醇，球磨球为Si3N4球，然后在烘箱中于60°C烘干18h;对复合层的多孔碳化硼预烧体层两种不同粒度的碳化硼粉末球磨干混4h，球磨介质为弹簧状铁丝，得到各层分别混合均匀的粉体；将混合均匀的基体层粉体和复合层粉体共同在5. 5飞MPa压力下逐层模压成型，得到三层复合粉体； (2)热压预烧 将模压成型的层状复合粉体置于热压烧结炉中，抽真空至低于30Pa，以5 8°C /min的升温速率升温至1500°C保温30 80min，然后以4 7°C /min的升温速率升温至1860 1920°C，压力保持在28 MPa，保温30 50min，得到层状碳化硼基多孔结构预烧体； (3)真空熔渗铝 将双层碳化硼基多孔结构预烧体置于真空熔炼炉中，将铝合金块置于层状碳化硼基多孔预烧体上方，进行真空熔渗铝，抽真空至真空度为5 10Pa，通电升温至700°C，保温30min，再升温至1000 1080°C下保温7(Tl20min，整个过程的升温速率为200°C /h，控制恒温精度在±5°C范围内，得到层状复合碳化硼基陶瓷材料。本专利技术所述的所有碳化硼粉体的纯度都为99%，所述的TiB2粉体的纯度为98% 本专利技术所述铝合金为工业铝合金，牌号为5083，5086，5A12或7005。与目前所研究的防弹陶瓷复合材料相比，本专利技术的有益效果是 (1)本专利技术的层状复合碳化硼基陶瓷材料质量轻，通过多层复合可以大大提高材料的抗冲击能力，可以极大的减轻防弹材料的重量； (2)本专利技术的层状复合碳化硼基陶瓷材料在单一碳化硼材料的基础上提高断裂韧性2.14 2. 78倍，使碳化硼陶瓷材料的应用领域更为广泛； (3)本专利技术的层状复合碳化硼基陶瓷材料的各层基体均为B4C，所以防弹材料的层与层之间的结合非常完好，不存在明显的层间的性能突变，所以可很好的避免层裂的现象。具体实施例方式实施例I : (I)配料成型基体层B4C陶瓷层原料按平均粒径为4. 4 μ m的碳化硼粉末占原料总量94. 5 wt%,平均粒径为48 μ m的钛粉占原料总量2. 5wt%和平均粒径为O. 8 μ m的炭黑占原料总量3wt%进行配料；复合层多孔碳化硼预烧体层中原料按平均粒径为260 μ m的B4C粉体和平均粒径为4.4 μ m的B4C粉体质量比7:3配料；所有碳化硼粉体的纯度都为99% ;对基体层B4C陶瓷层原料球磨湿混6h，球磨介质为无水乙醇，球磨球为Si3N4球，然后在烘箱中于60°C烘干18h，对复合层多孔碳化硼预烧体层两种不同粒度的碳化硼粉末球磨干混4h，球磨介质为弹簧状铁丝，得到两层分别混合均匀的粉体；将两层分别混合均匀后的复合粉体，在5. 5MPa压力下逐层模压成型，得到双层复合粉体； (2)热压预烧 将模压成型的双层复合粉体置于热压烧结炉中，抽真空至低于30Pa，以5 8 V /min的升温速率升温至1500°C保温60分钟，然后再以4 TC /min的升温速率升温至1860°C，压力保持为28 MPa，保温50min得到双层碳化硼基多孔结构预烧体； (3)真空熔渗 将双层碳化硼基多孔结构预烧体置于真空熔炼炉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种层状复合碳化硼基陶瓷材料，其特征在于由B4C陶瓷基体层与复合层构成，其中B4C陶瓷基体层的成分为94.5wt%B4C，2.5wt%钛粉和3wt%炭黑；复合层组成为Al/B4C渗铝层或Al/B4C渗铝层和TiB2/B4C中间层；所述的Al/B4C渗铝层由多孔碳化硼预烧体层经真空熔渗铝后制得，渗入的铝占整个渗铝层质量的20wt%；所述的TiB2/B4C中间层由B4C和TiB2粉体按质量比B4C:TiB2=7:3配料经热压成型和熔渗后得到；当层状复合碳化硼基陶瓷材料的B4C陶瓷基体层为受力面时，其硬度为33.0？34.2GPa，断裂韧性为4.8？6.0MPa·m1/2，抗弯强度为266？275.0MPa；当层状复合碳化硼基陶瓷材料的Al/B4C渗铝层为受力面时，其硬度为72.5HRA，断裂韧性为5.8？6.1MPa·m1/2，抗弯强度为88.0？168.4MPa。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：岳新艳，茹红强，王伟，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：