高性能防弹碳化硅木陶瓷制备

目前我军用于单兵防弹的陶瓷材料主要为氧化铝陶瓷，其密度较大、防弹性能差。初步研究发现以木质粉末材料为原料制备的碳化硅木陶瓷具有高硬度、高模量、低密度特性，用作防弹材料成本低廉，性能优于氧化铝陶瓷。本项目拟以木质粉末为原料，经热压成型和炭化制备具有多孔结构的碳模板，通过高温条件下熔融单质硅在碳模板中的浸渗与化学反应制备反应烧结碳化硅木陶瓷；通过研究木陶瓷坯体热压、碳化及烧结工艺，确定高性能碳化硅木陶瓷制备工艺参数；根据对烧结体显微结构、力学性能和弹道性能的分析，探索木陶瓷烧结机理与防弹机理。本项目首次开展以木质粉末为原料制备高性能碳化硅木陶瓷研究并用作单兵防弹材料，为反应烧结工艺制备碳化硅陶瓷奠定了理论基础并开辟了新的应用领域；对于促进该材料在在单兵防弹领域的应用及部队的批量化装备具有推动作用，对提高我军单兵防弹能力和战场快速反应能力、增强作战效能具有重要意义和应用价值。

本项目以木质粉末为原料，经热压成型和炭化制备具有多孔结构的碳模板，通过高温条件下熔融单质硅在碳模板中的浸渗与化学反应制备反应烧结碳化硅木质陶瓷；探讨了木粉含水率、热压温度、合模方式及木粉素坯密度等因素对木粉素坯剖面密度分布（VDP）的影响。通过针对性的研究，摸索出了优化的工艺条件，即在慢速合模条件下、以低含水率桦木粉和麻秆粉为原料、采用一步合模的方式进行热压成型，热压温度为145–165℃。采用缓慢的碳化升温程序可获得结构完整的碳坯；两种木质粉料的木粉素坯在碳化收缩和残重率数据上具有很好的重复性，使得碳坯密度和木粉素坯密度具有高度线性相关性，从而实现了碳坯密度的可调控调；制备的碳坯孔径分布窄且呈单峰分布，孔结构特征基本满足反应烧结碳化硅对坯体的孔径大小的要求。超细木质粉末为原料，利用木质材料中含有木质素而具有自粘性的特点，采用无胶热压成型工艺使木质粉末成型，并通过工艺优化制备具有均一剖面密度分布的木粉素坯；结合木材碳化规律进行素坯的碳化，得到纯碳坯体；然后对坯体进行渗硅，得到碳化硅木质陶瓷；结合显微结构观察及力学性能分析，获得碳化硅木质陶瓷的最优制备工艺。研究木质陶瓷坯体的烧结工艺，确定高性能碳化硅木质陶瓷制备工艺参数；制备的木质陶瓷主要力学性能指标都达到了较高的水平。当陶瓷密度在（3.05±0.01）g/cm3时，木质陶瓷显微硬度为22.5 GPa, 抗弯强度为437 MPa，弹性模量为300 GPa。本项目首次开展了以木质粉末为原料制备高性能碳化硅木质陶瓷研究并用作单兵防弹材料，为反应烧结工艺制备碳化硅陶瓷奠定了理论基础并开辟了新的应用领域；制备的木质陶瓷的弹道防护系数在参与测试所有反应烧结碳化硅中处于较高的水平，充分说明以纯碳为坯体制备碳化硅木质陶瓷的过程中，烧结体中的SiC全部为新生成的β-SiC而带来的优异性能。本项目研究对于促进该材料在在单兵防弹领域的应用及部队的批量化装备具有推动作用，对提高我军单兵防弹能力和战场快速反应能力、增强作战效能具有重要意义和应用价值。