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碳化硅防彈陶瓷的性能及核心生產工藝

2023-05-23 精城特瓷

碳化硅防彈陶瓷
碳化硅防彈陶瓷
 
        常見的防彈衣防彈層通常采用聚乙烯板和陶瓷插板復合,其中陶瓷插板主要有小塊陶瓷防彈片拼接和整塊防彈板兩種。目前,已應用的防彈陶瓷有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化硼、氮化鋁、氮化硅、硼化鈦等。其中,碳化硅陶瓷是近年來國內外應用研究較多的防彈材料。
 

一、碳化硅晶體結構和性能

        碳化硅由Si-C四面體堆積而成,有α和β兩種晶型,在燒結溫度低于1600℃時,SiC以β-SiC形式存在,當燒結溫度高于1600℃時,β-SiC緩慢轉變成α-SiC。α碳化硅共價鍵極強,在高溫下仍具有高強度的鍵合,這種結構特點賦予了碳化硅陶瓷優異的強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熱導率、良好的抗熱震性等性能,同時碳化硅陶瓷價格適中,性價比高,被認為是有發展潛力的高性能防彈材料。
 
碳化硅粉體
 

二、碳化硅陶瓷的成型方法及特點

        常見的碳化硅陶瓷成型方法有模壓成型、注漿成型、冷等靜壓成型、凝膠注模成型等。
        1. 模壓成型:模壓成型是目前碳化硅防彈片常用的成型方法,其工藝簡單、操作方便、生產效率高,有利于連續生產;
        2. 注漿成型:注漿成型適應性強,能夠得到各種形狀、結構的壞體,在制備碳化硅陶瓷異形件時優勢明顯;
        3. 冷等靜壓成型:冷等靜壓成型得到的坯體受力均勻、密度分布均一,產品性能有很大提高,適用于高性能碳化硅陶瓷生產;
        4. 凝膠注模成型:凝膠注模成型技術是一種新型近凈尺寸成型方法。坯體結構均勻,強度較高,可對壞體進行各種機械加工,減少燒結后加工費用,適用于結構復雜的碳化硅陶瓷;
 
碳化硅陶瓷的成型方法
 

三、碳化硅陶瓷的燒結工藝及優劣對比

        除了成型,燒結也是碳化硅陶瓷生產的核心工藝。目前,碳化硅陶瓷的燒結工藝包括反應燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及無壓燒結等。
        1. 反應燒結:反應燒結是一種近凈尺寸制造技術,其工藝簡單,成本較低,可以在1450~1600℃的較低溫度與較短的時間內通過滲硅反應實現碳化硅的燒結,可以制備大尺寸、形狀復雜的部件。但是,由于滲硅反應燒結固有的缺陷,使得碳化硅中不可避免存在8%~12%的游離硅從而降低材料的高溫力學性能、耐腐蝕性及抗氧化性能,使用溫度也受到限制,通常不能超過1350℃。
        2. 熱壓燒結:熱壓燒結是將干燥的碳化硅粉料充填入模型內,從單軸方向邊加壓邊加熱,使成型和燒結同時完成的一種燒結方法。由于加熱加壓同時進行,有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行,能降低燒結溫度,縮短燒結時間,得到晶粒細小、相對密度高和力學性能良好的碳化硅陶瓷產品。熱壓燒結的缺點是工藝較復雜,對模具材料和設備要求高,生產效率較低,生產成本高,而且只能制備形狀較為簡單的產品。
        3. 熱等靜壓燒結:熱等靜壓燒結是指通過高溫和各向均衡的高壓氣體的共同作用,使碳化硅陶瓷粉末、坯體或預燒體達到燒結致密化的工藝方法。熱等靜壓燒結能夠提升碳化硅陶瓷性能提升,但因工藝復雜成本較高,并未大規模投產。
        4. 無壓燒結:無壓燒結碳化硅陶瓷高溫性能優異、燒結工藝簡單成本較低,適用的成形方法較多,可用于形狀復雜和厚大零件,也適合大批量工業化生產,已成為制備碳化硅陶瓷的重要方法。
 
多曲面碳化硅防彈板
多曲面碳化硅防彈板
 
        精城特瓷擁有完備的成型燒結設備以及成熟的碳化硅陶瓷無壓燒結技術,生產出碳化硅陶瓷防彈片性能優異,品質穩定,投入市場以來反響良好。
 
  文/謝勇
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