选择性反应烧结和组相控制制备B4C/SiC复相陶瓷及其抗强冲击防弹性能

Bulletproof material preparation process, equipment is backward in China, the varieties of a single, the individual protection, armor material properties and manufacturing level needs to be improved. The project of B4C with low density, high hardness, elastic modulus, etc., through the design of composition and structure optimization of SiC and B4C material, B4C / SiC multiphase ceramics was prepared by reaction sintering technology, using continuous automatic dry pressing blank, solve the incomplete sintering phenomenon after the addition of boron carbide to realize the selective reaction, synthesis and microstructure control. The sintering mechanism with boron carbide to dissolved in silicon and its effects on the promotion of abnormal grain growth by Silicon carbon reaction process has been study，and research the effect law on mechanics with different residual silicon content, form distribution, boron carbide volume fraction on the mechanical properties, ballistic performance of multiphase ceramic. The internal relations with the particle toughening, control of multiphase ceramic grain size, reduce defects and improve the complex phase ceramic material elastic modulus and other mechanical properties wear be also research. New composite ceramic preparation has the advantages of light weight, high hardness, high strength, high bulletproof coefficient, low cost, on the development of China's advanced bulletproof material and has important scientific significance and application value of military engineering to enhance the national military strength.

我国防弹材料制备工艺、设备落后，品种单一，其单兵防护、装甲防护材料性能和制造水平等亟待提高。项目研究利用碳化硼陶瓷密度低、硬度高、弹性模量高等优点，通过碳化硅、碳化硼陶瓷材料的成分设计和组织优化，采用反应烧结技术制备碳化硼/碳化硅复合陶瓷，利用坯体连续自动干压成型，解决碳化硼添加后的不完全烧结现象，实现选择性反应合成和微观组织结构控制，着重研究硅碳反应过程对碳化硼向硅中的溶解促进作用及其对材料内部晶粒异常长大的影响等反应烧结机理；残硅含量、分布形态，陶瓷粉体粒度、碳化硼体积分数等对复相陶瓷力学性能、防弹性能影响规律；以及颗粒增韧、控制复相陶瓷晶粒尺寸、减少缺陷等提高复相陶瓷材料的弹性模量等力学性能的内在联系等。制备的新型复合陶瓷具有硬度高、质量轻、防弹系数高、强度高、成本较低等优势，对开发我国先进防弹材料和提升国家军事实力具有重要的科学研究意义和军事工程应用价值。

近年来随着现代化杀伤性武器性能的提高，发展新型的轻质装甲对加强我国国防建设具有重大意义。陶瓷材料防护性能优越、密度小，主要通过自身破碎来吸收能量，但是成型、烧结困难。反应烧结法制备的碳化硅陶瓷相比较于其他陶瓷烧结方法具有烧结温度低、近尺寸成型、成本低廉等特点，因此在轻质装甲等领域应用潜力巨大。但是反应烧结过程也存在渗硅通道易堵塞，陶瓷组相中残硅体积分数高（＞16%）并存在“硅岛”形态等问题，这些都使得制备的碳化硅陶瓷组织不均、稳定性差，力学性能难以提高，从而降低碳化硅陶瓷体防弹性能。.针对反应烧结碳化硅陶瓷体积密度难以控制、残硅量高等问题，系统分析了其反应机理以及力学性能影响因素，确定了生坯碳密度是影响烧结体体积密度和残硅量的重要影响因素；同时，设计了陶瓷粉体先湿混、后干混的两步混法工艺，制备的反应烧结碳化硅陶瓷组织均匀、力学性能优异，残硅体积分数降低明显（12.5%），抗弯强度达到335MPa。在此基础上，通过添加不同质量分数的碳化硼作为增强颗粒制备了性能更加优异的碳化硼/碳化硅复相陶瓷，残硅体积分数降为10.3%，抗弯强度提升至391MPa；并对其进行了防弹性能测试，均达到国际领先水平。.选择了碳源中活性较低的短碳纤维作为“缓释”碳源，不仅减缓渗硅通道堵塞时间，而且其搭建的自贯穿的多孔结构有助于液硅的渗入。最终组织中残硅体积分数降为4.9%，部分“硅岛”形态消失，抗弯强度提升至482MPa。为进一步提升反应烧结碳化硼/碳化硅复相陶瓷的强度，以填充生坯孔隙性能良好的纳米炭黑作为碳源，利用次生碳化硅与碳化硼外围三元相的非共格特性，利用颗粒配比的碳化硼颗粒以搭建一定宽度的“新型”渗硅通道，确保了在碳源提高的情况下渗硅充分，抗弯强度达到526MPa，最终残硅体积分数降至4.0%，且“硅岛”形态完全消失。.制备的复相陶瓷在残硅含量、力学性能等方面已经远超传统方法制备的反应烧结碳化硅陶瓷，在防弹材料地研发、制备和性能提升等领域取得了重大突破。