特种陶瓷课程设计论文无压烧结碳化硅陶瓷防弹片生产工艺设计.
碳化硅陶瓷 论文
新型功能材料专业化学类班级应化1101学生郭珊学号***********小组成员丁超凡付文静韩丹丹韩双任课教师李村成平时成绩论文成绩课程成绩课程论文要求结合自己学习兴趣，通过小组调研，查阅相关资料，撰写一篇与新型功能材料有关的课程论文。
论文要求：1.论文题目科学规范，调研方向具体明确、题目不能过大；2.字数要在5000字左右（不计参考文献）；3.论文撰写要使用自己的语言，要有自己见解及评论，不能拷贝、翻译；4.文字简练，层次分明，逻辑性强，条理清晰，引用数据准确、真实、可靠，结论明确；5.文中涉及的图表需自己画；6.引用的参考文献需在文中用数字标出并在文后列出; 7. 量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100~GB3102-93；8. 字体及格式统一要求：论文标题用居中加粗宋体三号字；小标题用加粗宋体小四号字；图表说明用居中宋体五号字；正文及引用文献用宋体小四号字（英文和数字用Times New Roman）；1.25倍行距，A4纸，上、下、左、右页边距均为2.5 cm；9. 提交论文双面打印。
本课程成绩评定说明：该课程总成绩由平时成绩与课程论文成绩两部分组成，其中平时考勤、课堂表现、课堂报告等成绩占总成绩50%；课程论文成绩占总成绩的50 %。
平时成绩与课程论文成绩均按满分100分评定。
新型陶瓷-碳化硅陶瓷制备技术及应用摘要：阐述了碳化硅陶瓷的制备技术及应用，介绍了SiC粉末的合成方法（如Acheson法、化合法、热分解法、气相反相法）、SiC的烧结方法（如无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结）、反应烧结碳化硅的成型工艺（如模压成型、等静压成型、注浆成型）以及碳化硅陶瓷在各个方面的广泛应用，并展望了碳化硅陶瓷的发展应用前景。
关键词：新型陶瓷；碳化硅陶瓷；SiC粉末合成；SiC烧结；成型工艺一、引言传统陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。
碳化硅陶瓷
太原工业学院 2015/2016学年第一学期《特种陶瓷》课程论文题目：碳化硅陶瓷的工艺与发展方向班级： 122073219姓名：刘鑫泽学号： 191 前言随着科技的发展，人们迫切需要开发各种新型高性能结构材料。
碳化硅陶瓷由于具有多种良好的的性能，已经在许多领域大显身手，并且已经收到人们的高度重视。
2 晶体结构SiC是共价键很强的化合物，SiC中 Si-C键的离子性仅12%左右。
SiC具有α和β两种晶型。
β- SiC的晶体结构为闪锌矿晶体结构立方晶系，Si和 C 分别组成面心立方晶格；α-SiC纤锌矿型结构，六方晶系。
存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中， 6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。
在温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在。
当高于1600℃时，β- SiC缓慢转変成α-SiC的各种多型体。
4H- SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H- SiC，即使温度.超过2200℃，也是非常稳定的。
SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。
[1]3 性能与应用3.1 性能(1)SiC陶瓷化学稳定性好、抗氧化性强。
(2)硬度高，耐磨性能好。
(3)SiC具有宽的能带间隙。
(4)优良的导电性。
(5)热稳定性好，高温强度大。
(6)热膨胀系数小、热导率大以及抗热振和耐化学腐蚀等。
[4]3.2 应用碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次子氧化铍陶瓷。
碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承、泵的密封圈、拉丝成型模具等。
SiC陶瓷已成为1400℃以上最有价值的高温结构陶瓷，在各个工业领域中被广泛的应用。
[6]4 合成方法工业上应用的SiC粉末都是人工合成的，方法主要有：(1)Acheson法：这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。
无压烧结碳化硅陶瓷防弹片的生产工艺设计
目录生产工艺 (4)1前言碳化硅（SiC）在自然界中几乎不存在，所以SiC是人工合成材料。
随后在陨石中偶然发现SiC 化合物的存在。
1893年美国人Acheson首先用SiO2碳还原法（SiO2+3C=SiC+2CO(g)）人工合成SiC粉末，该法至今仍是碳化硅粉体合成机材料制备的主要方法，其后又出现了硅-碳直接合成法、气相沉积法、激光法、有机前驱体法等，所以碳化硅（SiC）陶瓷是以SiC 为主要成分的陶瓷制品。
SiC有着的化学稳定性好，但SiC本身很容易氧化，在SiC表面形成一层二氧化硅薄膜，进而氧化进程逐步被阻碍。
高纯度的SiC一般用于制造高性能陶瓷与电热元件，纯度大于％的SiC绝大部分用于制造磨料与耐火材料。
而制备得SiC陶瓷具有很高的硬度、高温强度高、抗氧化性好、耐腐蚀和良好的热导率等优点，因此成为重要的高温陶瓷材料。
SiC陶瓷是非氧化物陶瓷中抗氧化性能最好的一种。
碳化硅陶瓷不仅在高新技术领域发挥着重要的作业，而且在冶金、机械、能源和建材化工等热门领域也拥有广阔的市场。
SiC有两种主要的晶型：一种是β-SiC，有类似于闪锌矿结构的立方晶系结构；另一种是α-SiC，是类似于纤锌矿的六方晶系结构。
通常情况下β-SiC和α-SiC之间的转化是不可逆的，但是在2000℃一下合成的SiC主要是β-SiC，在2200℃以上可以合成α-SiC。
SiC在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构，这些成分相同，形态，构造和物理特性有差异的晶体称为同质多相变体，目前已经发现的SiC多相变体有200多种。
SiC是非常强的共价键化合物，其晶体结构的基本结构是配位四面体，通过定向的强四面体SP键结合在一起，并有一定程度的极化，主要区别在于SiC四面体的堆积次序不同。
SiC是共价键材料，很难烧结。
传统的SiC耐火材料和发热体一般是采用添加硅酸铝质或者高铝质材料作为结合剂来进行烧结，但是致密度不高，强度和其他力学性能也不好。
一种特种陶瓷材料及其制备方法与应用
一种特种陶瓷材料及其制备方法与应用全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：特种陶瓷材料在现代工业中发挥着重要作用，其在各种领域的应用越来越广泛。
本文将以一种特种陶瓷材料为例，探讨其制备方法和应用情况。
一、特种陶瓷材料简介特种陶瓷材料是指在特定条件下制备的，具有特殊物理、化学、结构等性质的陶瓷材料。
它具有较高的耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域。
1. 原料选择：特种陶瓷材料的制备要首先选择适合的原料。
通常采用氧化铝、氧化锆、碳化硅等高纯度材料作为主要原料。
2. 混合和粉碎：将选定的原料进行混合，并通过球磨等方法进行粉碎，以确保原料的均匀性和细度。
3. 成型：采用压制或注模等方法将粉末成型成所需的形状，然后进行烧结。
4. 烧结：通过高温处理，使混合的粉末颗粒结合成为致密的陶瓷坯体。
5. 后处理：经过烧结后的陶瓷坯体可能存在气孔或其他缺陷，需要进行热处理或其他后处理工艺，以提高其性能。
1. 航空航天领域：特种陶瓷材料具有优异的耐高温性能和机械性能，被广泛应用于航空发动机喷嘴、涡轮叶片等部件。
2. 汽车领域：特种陶瓷材料在汽车发动机、制动系统等部件中具有重要作用，可以提高汽车的性能和耐久性。
3. 电子领域：特种陶瓷材料在电子器件中被广泛应用，如陶瓷电容器、电子陶瓷等，具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
4. 医疗器械领域：特种陶瓷材料在医疗器械中也有重要应用，如人工关节、牙科修复材料等，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性。
特种陶瓷材料具有独特的性能和广泛的应用前景，在现代工业中发挥着重要作用。
通过不断的研究和创新，特种陶瓷材料的性能和应用领域将会得到进一步拓展和提升。
希望本文可以对特种陶瓷材料的制备方法和应用情况有所了解，激发读者对陶瓷材料的研究和开发的兴趣。
第二篇示例：特种陶瓷材料是一种具有特殊性能和功能的陶瓷材料，具有优异的热导性、耐磨性、耐腐蚀性、绝缘性等特点，被广泛应用于航空航天、电子、医疗、军事等领域。
特种陶瓷课程设计论文无压烧结碳化硅陶瓷防弹片生产工艺设计.
北方民族大学课程设计报告院（部、中心）材料科学与工程学院姓名王乾象学号 20090167 专业材料科学与工程班级 094 同组人员张中马海浪温润浩海延军课程名称特种陶瓷材料课程设计设计题目名称无压烧结碳化硅陶瓷防弹片生产工艺设计起止时间成绩指导教师签名北方民族大学教务处制目录一研究背景和意义 (1)二生产工艺流程 (2)三原料准备 (3)3.1原料配比 (3)3.2各添加剂的作用 (3)四主要设备及其工作原理、结构和前景 (5)4.1主要设备 (5)4.2主要设备的工作原理、结构和前景 (5)五实验过程 (16)5.1粉料制备 (16)5.2素坯成型 (16)5.3素坯烧结 (17)5.4 加工 (17)5.5性能测试 (17)六数据处理 (18)七SiC陶瓷生产工艺平面布置图 (20)八制品缺陷分析 (21)九小结 (21)十参考文献 (22)一研究背景和意义由于防弹材料用于坦克、自行火炮、直升飞机及单兵防弹服、头盔、防弹盾板等，故要求重量轻，可见防弹材料应具备的特性可概括为：高硬度、高强度、高韧性和低密度，即“三高一低”。
对于防弹材料早在古代以采用青铜作铠甲，近代坦克仍然离不开钢甲，但陶瓷的防弹性能明显高于钢甲。
这是由于陶瓷的低密度效应、吸能效应、磨损效应和动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力。
满足以上条件的要属于碳化硅陶瓷了。
还要值得指出的是，穿甲弹丸、碎片等投射物主要依靠其动能来攻击目标，因此对投射物的防御就是如何有效地降低投射物的速度，并消耗其动能；另一个不可忽视的是投射物在撞击和侵彻目标时还产生应力波，在正对弹着点的背面处，往往造成圆锥形的碎裂崩落，则是应力波在背面自由表面反射形成拉伸波所致。
碳化硅（SiC）陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。
在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用。
防弹陶瓷的烧结工艺及发展现状
防弹陶瓷的烧结工艺及发展现状*罗娟杨科伟王萌和娇娇(咸阳陶瓷研究设计院有限公司陕西咸阳712000)摘要陶瓷材料以其优异的低密度㊁高强度㊁高硬度等性能替代了传统金属防弹材料,被广泛应用在防弹装甲领域㊂笔者综述了常用的碳化硅㊁碳化硼及氧化铝防弹陶瓷性能特点及烧结工艺,分析了防弹陶瓷的市场发展前景,并对防弹陶瓷进行了展望㊂关键词防弹陶瓷性能烧结工艺发展现状中图分类号:T Q174.1文献标识码:B文章编号:1002-2872(2020)09-0024-04S i n t e r i n g P r o c e s sA n dD e v e l o p m e n t S t a t u s o fB u l l e t p r o o fC e r a m i c sL U OJ u a n,Y A N G K e w e i,WA N G M e n g,H EJ i a o j i a o(X i a n y a n g C e r a m i cR e s e a r c ha n dD e s i g nI n s t i t u t eC o.L t d,S h a a n x i, X i a n y a n g,712000,C h i n a)A b s t r a c t:C e r a m i c m a t e r i a l sh a v er e p l a c e dt r a d i t i o n a lm e t a lb u l l e t p r o o f m a t e r i a l s w i t ht h e i re x c e l l e n t l o w d e n s i t y,h i g h s t r e n g t h,a n dh i g hh a r d n e s s,a n da r ew i d e l y u s e d i n t h e f i e l do f b u l l e t p r o o f a r m o r.T h i s a r t i c l e r e v i e w e d t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s i n t e r i n gp r o c e s s o f c o mm o n l y u s e d s i l i c o n c a r b i d e,b o r o n c a r b i d e a n d a l u m i n a b u l l e t p r o o f c e r a m i c s,a n-a l y z e d t h em a r k e t d e v e l o p m e n t o f b u l l e t p r o o f c e r a m i c s,a n d p r o s p e c t e d f o r b u l l e t p r o o f c e r a m i c s.K e y w o r d s:B u l l e t p r o o f c e r a m i c s;P e r f o r m a n c e;S i n t e r i n g t e c h n o l o g y;D e v e l o p m e n t s t a t u s前言我国现代化科技与国民经济的飞速增长促使必须在国防方面进行改革,陶瓷材料相对于传统金属材料的低密度㊁高硬度㊁高强度㊁高弹性模量以及抗热震并且防辐射等性能使其在防弹装甲领域脱颖而出,被广泛应用在武装战甲㊁航空战舰㊁装甲战车系统及军工㊁民用特种车辆等[1~2]㊂且陶瓷生产相对于钢板,在能源损耗㊁废气废料产生㊁绿色生产方面也更胜一筹㊂防弹陶瓷即将原粉料通过成形烧结工艺制成具备防弹能力的陶瓷块,结合其它辅助材料制备成防弹装备㊂在抵抗弹头冲击时,不锈钢材料会产生塑性变形且吸收能量,而陶瓷几乎不产生塑性变形,并且依靠其自身高强高硬特性使弹头钝化甚至破碎,陶瓷表面粉碎同时在形成细小且坚硬的碎块区过程中吸收了高速弹头的能量㊂自21世纪以来,防弹陶瓷发展迅速,种类较多,包括氧化铝㊁碳化硅㊁碳化硼㊁氮化硅㊁硼化钛等,其中以氧化铝陶瓷(A l2O3)㊁碳化硅陶瓷(S i C)㊁碳化硼陶瓷(B4C)应用最广㊂氧化铝陶瓷密度最高,但硬度相对较低,加工门槛较低,价格较低,依据纯度分为85/90/95/99氧化铝陶瓷,相应的硬度和价格也依次增高;碳化硅陶瓷密度相对较低,硬度居中,属于性价比较高的结构陶瓷,因此也是目前国内应用最广的防弹陶瓷;碳化硼陶瓷在这几种陶瓷中密度最低,硬度最高,但同时其对加工工艺的要求也很高,需要高温高压烧结,因而成本也是这3种陶瓷中最高的㊂1氧化铝防弹陶瓷及烧结工艺1.1性能特点氧化铝(A l u m i n i u m O x i d e)分子式为A l2O3,白色固体,最为常见晶态有α-A l2O3㊁β-A l2O3及γ-A l2O3,其中α-A l2O3结构最稳定(又称刚玉),在1 300ħ以上的高温时其它相几乎完全转化为α-A l2O3㊂氧化铝密度3.88~3.92g/c m3[3],熔点为2 054ħ,沸点为2980ħ,高温下可电离的离子晶体,工业氧化铝是由铝矾土(A l2O3㊃3H2O)和硬水铝石制备的㊂氧化铝是所有氧化物当中强度最大㊁硬度最高的,同时具有良好的抗氧化性和化学惰性㊂氧化铝作*作者简介:罗娟(1993-),硕士,工程师;主要从事先进陶瓷及复合材料的研究工作㊂为防弹领域的第一代陶瓷,比相同防弹能力同面积的装甲钢重量轻40%㊂氧化铝烧结制品因其表面光洁㊁尺寸稳定㊁价格低廉,被广泛应用于各类装甲车辆和军警防弹服等㊂1.2生产现状国内最大氧化铝防弹陶瓷生产厂家是河南济源兄弟材料有限公司,其生产的氧化铝防弹陶瓷选用硬度极高的α-氧化铝粉为原料,采用先进双面压机成形㊁自动化窑炉烧结,颜色一致㊁尺寸公差小,且产品具有硬度高㊁密度适中㊁防弹能力强等优势,具备年产1000 t以上氧化铝陶瓷的规模,产品远销俄罗斯㊁东欧等世界各地,在特种陶瓷行业内享有盛誉㊂但因A l2O3具有相对较高的密度㊁偏低的硬度和断裂韧性,故使其抗弹性能较低㊂1.3烧结工艺氧化铝防弹陶瓷主要以无压烧结和热压烧结为主㊂无压烧结高纯氧化铝陶瓷通常需要在高于1600ħ才能烧结致密,较高的烧结温度可能会促使氧化铝晶体异常长大,烧结体致密化程度降低,从而会影响高纯氧化铝陶瓷的性能㊂因此工业上通过减小粉体颗粒的平均尺寸,添加适当的添加剂,结合合理的成形及烧结方法等通常可使氧化铝陶瓷的烧结温度降低至1 400ħ左右[4],通过调节工艺及配方可得到相对密度大于99%㊁抗弯强度在545M P a㊁晶粒尺寸在2~3μm 的氧化铝陶瓷[5]㊂热压烧结通过在模具上下两面同时加压进行烧结㊂由于烧结时除了温度动力之外,还增加了压力动力(10~50M P a),因此大大降低烧结难度,致密化程度高㊂同时因为特定的外界压力使得晶体的生长受到限制,得到的晶粒细小均匀,使得力学性能大大提高[6]㊂J oR o y等[7]在1600ħ㊁压力10M P a保温10 m i n得到致密度大于99%的氧化铝陶瓷㊁且温度越高,晶粒尺寸越大㊂2碳化硅陶瓷防弹陶瓷及烧结工艺2.1性能特点碳化硅(S i l i c o nC a r b i d e)分子式为S i C,又名金钢砂或耐火砂,工业中常用的碳化硅主要存在2种S i C 的晶体结构,分别为α-S i C及β-S i C㊂α-S i C属于六方晶系(H),为高温稳定型;β-S i C属于立方晶系,属于低温稳定型㊂S i C密度为3.16~3.217g/c m3,共价键含量约为88%,具有超高的硬度㊁熔点高㊁常压下高达2830ħ,产物为S i C3㊁S i2C㊁S i[8]㊂此外其具有热稳定性好㊁高温强度高㊁热膨胀系数小㊁热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀性好等优异特点㊂碳化硅的分子结构和特性决定了其韧性较低的特点,当受到子弹撞击的时候,其超高的强度完全可以抵抗巨大的子弹动能,并能瞬间将子弹击碎,但是其韧性低的特点会使其在受到撞击的瞬间发生龟裂甚至碎裂成片,这使得碳化硅陶瓷板只能作为一次性插板使用,通常是不可以抵御连续多次射击的㊂碳化硅陶瓷防弹片如图1所示㊂图1陶瓷防弹片2.2生产现状表1不同单位制备碳化硅陶瓷性能对比浙江鑫宏特种材料有限公司潍坊六合新材料有限公司郑州市立新实业有限公司密度(g/c m3)3.10~3.173.10ȡ3.08硬度(k g f/mm3)ȡ28002600ȡ2200抗弯强度(M P a)ȡ380400ȡ400压缩强度(M P a)ȡ27002200ȡ2200断裂韧性(M P a㊃m1/2)34-碳化硅陶瓷装甲在英国人乔巴姆发明以来,由碳化硅陶瓷面板与先进的复合材料背板组成的防弹陶瓷复合装甲,价格低㊁质量轻,可减轻质量60%以上,被广泛用于防弹装甲中,如车辆㊁舰船的防护以及民用保险柜㊁运钞车的防护中㊂此外,整体式碳化硅异形件:整体式碳化硅多曲面防弹插板㊁整体烧结碳化硅陶瓷防弹头盔等装甲材料中间体不断出现,为单兵防护复合装甲的应用研究提供了新方向的同时,也面临着成形工艺复杂㊁烧结困难㊁成本高及提高稳定性等问题,尚待进一步研究㊂国内不同单位制备碳化硅防弹陶瓷性能对比,如表1所示,可以看出其抗弯强度大于380 M P a,而制备的陶瓷硬度越高时,断裂韧性就越低㊂2.3烧结工艺工业用烧结碳化硅陶瓷主要有无压烧结㊁反应烧结㊁热压烧结㊁放电等离子烧结(S P S)㊁重结晶烧结等工艺制备,而防弹陶瓷主要以前3种为主㊂无压烧结也可称为常压烧结,无压烧结S i C陶瓷是将高纯㊁粒径小于0.5μm碳化硅微粉加入少量的烧结助剂,如硼㊁碳等,在真空及氩气保护气氛中,1950 ~2100ħ高温下烧结,所得制品几乎完全致密,具有优良力学性能的陶瓷材料㊂反应烧结(自结合制备法)是将原粉和添加剂混合高温下热解制备出多孔的碳化硅素坯[9],用硅作熔渗剂进行埋粉处理,加热至硅的熔点以上约1450~1470ħ,熔融的S i通过毛细管作用渗入坯体内部与C反应生成S i C,在素坯中S i C相原位生成的碳化硅和游离硅填充素坯中的剩余气孔,从而得到高致密性的陶瓷材料[10]㊂利用反应烧结制备碳化硅复合陶瓷时其体积收缩率相比无压烧结低很多,通常不会超过3%,这样的优势在很大程度上提高了反应烧结碳化硅复合材料制品的尺寸精度㊂热压烧结特殊的同时加压加热手段使得热压烧结制品性能相对更优异㊂针对不同的碳化硅材料设计,合理的调节加压压力及温度可以得到理想的制品,但对于工业化生产,其制备成本太高,且由于工艺的特殊性也限制了热压烧结制品的形状,因此严重制约了工业化生产㊂3碳化硼防弹陶瓷及烧结工艺3.1性能特点碳化硼(B o r o nC a r b i d e)分子式B4C,俗称黑钻石,工业制备的碳化硼粉末为灰黑色,含碳量从8%~ 20%,碳化硼是强共价键化合物,共价键高达93.9%,因而硬度高㊁高温稳定性以及化学稳定性好,是继金刚石㊁立方氮化硼㊁富勒烯化合物和钻石整体纤管后的第五种已知最硬的物质;碳化硼密度很小,仅为2.52g/ c m3,是陶瓷材料中质量最轻的,是钢铁的1/3;其弹性模量高,为450G P a;熔点高,约为2447ħ,这些特性使B4C陶瓷在航天航空领域广泛应用,成为抗高速穿甲弹和硬质钢芯子弹的装甲材料[11]㊂3.2生产现状20世纪60年代,碳化硼陶瓷最早被用于防弹背心材料及飞行员座椅上,之后被用于制备防弹陶瓷复合装甲,在70年代后被西方国家用在装甲车㊁坦克及军机中㊂21世纪以来,军事领域装备持续更新,对防弹装备的要求也更加苛刻,传统的单相陶瓷已经不能满足现实军事需求,因此,发展多元化㊁复合化㊁功能化防弹陶瓷至关重要㊂目前,A l2O3基抗弹陶瓷已用于 502工程 及 212工程 ,但在战车车体侧面等部位采用等厚的高性能碳化硼陶瓷复合装甲比A l2O3基防弹陶瓷质量减轻15%~20%,其抵抗冲击能力也提高㊂因此新世纪武器装备对高性能㊁低成本碳化硼防弹陶瓷提出了迫切需求㊂东北大学茹洪强教授也指出碳化硼防弹陶瓷存在巨大的市场缺口,其所在团队开发出一种层状复合碳化硼陶瓷材料的制备技术,揭示了碳化硼陶瓷复合材料组织与性能的调控机制㊂因而,开展高性能㊁低成本碳化硼防弹陶瓷材料的研制和应用,可大大提高相关武器装备的使用性能,具有显著的军事效益和经济效益㊂碳化硼防弹陶瓷材料应用方向为:重点装备工程㊁未来主战坦克㊁步兵战车﹑空投空降车等轻型装甲车辆以及武装直升机腹板㊁船艇上层建筑的装甲防护㊂而要制备高性能碳化硼防弹陶瓷需要从烧结温度的降低㊁强度和断裂韧性的提高和抗氧化行为的改善3个方面解决㊂3.3烧结工艺碳化硼烧结方法主要有无压烧结㊁热压和热等静压㊂常压烧结碳化硼未添加烧结助剂烧结温度高(2 250~2280ħ),接近碳化硼的熔点(2400ħ),且对粉料要求高(粒度小于3μm)㊂烧结助剂可分为金属和无机非金属2大类㊂添加S i㊁A l㊁M g㊁T i B2㊁G r B2㊁S i C㊁B e2C以及S i C+A l㊁B+C㊁B+S i+W2B5等在温度较高(2150~2250ħ)烧结时有助于提高致密度㊂以少量碳为烧结助剂,不引入除碳㊁硼以外的第三元素,较加入第三元素(如S i㊁A l㊁M g㊁T i㊁F㊁N i等)所得到的碳化硼陶瓷性能稳定,故而受到特别的重视㊂热压烧结碳化硼工业上主要制备形状简单的碳化硼制品,在真空和惰性气氛中,温度为2050~2100ħ㊁压力为30~40M P a㊁高强石墨模具㊁保温保压15~45m i n可得到密度大于99%的制品㊂热压条件的控制直接影响了制品的密度㊁孔隙度和微观结构㊂采用热等静压可在1727ħ左右制度出高密度的碳化硼陶瓷㊂微波烧结㊁反应烧结㊁爆炸成形在碳化硼烧结中也有应用㊂4总结与展望当前军事领域主要使用3种装甲陶瓷材料性能进形对比,如表2所示㊂表2典型防弹陶瓷的性能对比密度(g㊃c m-3)弹性模量(G P a)努氏硬度断裂韧性(M P a㊃m1/2)价格/(元㊃k g-1)碳化硅3.20350~45025004.0~6.4350~400碳化硼2.5040029002.8~4.3700~800氧化铝3.5035018002.8~4.570~80由表2可以看出,这3种陶瓷均为高弹性模量的材料,但断裂韧性普遍较低,且碳化硅和碳化硼材料价格为氧化铝材料的近乎10倍㊂而现代科技的发展对防弹陶瓷的功能性与经济性提出了要求:多功能㊁高性能㊁轻质㊁低成本和安全性㊂因此,专家学者们近年来希望通过微观调节包括多元陶瓷体系复合㊁功能梯度陶瓷㊁层状结构设计等来实现陶瓷的强韧化㊁轻量化和经济化,并且这样的护甲相对于如今的装甲重量轻,更好地提高了作战单位的机动性能㊂功能梯度陶瓷即通过微观设计组分材料性能呈规律性变化㊂比如硼化钛与金属钛以及氧化铝㊁碳化硅㊁碳化硼㊁氮化硅与金属铝等金属/陶瓷复合体系,性能沿厚度位置呈梯度变化,即制备出从高硬度过渡到高韧性防弹陶瓷㊂纳米复相陶瓷是将亚微米级或纳米级分散粒子添加到基体陶瓷中构成的复相陶瓷㊂如S i C-S i3N4-A l2O3㊁B4C-S i C等,对陶瓷的硬度㊁韧性和强度有一定的提高㊂据报道,西方国家正在研究将纳米级粉体烧结制备出晶粒尺寸几十纳米的陶瓷,实现材料强韧化,先进陶瓷装甲有望在这方面实现大的突破㊂透明陶瓷具有代表的是单晶氧化铝㊁氮氧化铝和镁铝尖晶石类陶瓷,不仅强度硬度高,且光学性能优异,在单兵防弹面罩㊁导弹探测窗口㊁车辆观察窗㊁潜艇潜望镜等军事装备上加以应用㊂且制造成本低,对工件形状限制低,工艺简单,众多世界军事强国已将透明陶瓷列为21世纪重点发展的光功能透明材料之一㊂目前国内关于防弹陶瓷的的生产单位中碳化硅和碳化硼防弹居多,而氧化铝陶瓷则很少见㊂而3D打印技术的不断提升和完善,碳化硅㊁碳化硼及氧化铝陶瓷的3D打印加工制备有了突破性进展,极大地推动了其在防弹装甲领域的广泛应用㊂参考文献[1] L i uG W,N i CY,X i a oQ W,e t a l.P r e p a r a t i o n a n d i n-t e r f a c e s t r u c t u r e s o fm e t a l-e n c a s e dS i Cc o m p o s i t e a r m o r sw i t h i n t e r p e n e t r a t i n g s t r u c t u r e[J].R a r e M e t a l M a t e r i a l sa n d E n g i-n e e r i n g,2011,40(12):2076-2079.[2] M v s k iE.B a l l i s t i c p e r f o r m a n c eo f a r m o u r c e r a m i c s:I n f l u e n c e o f d e s i g na n ds t r u c t u r e.P a r t1[J].C e r a m i c s I n t e r n a-t i o n a 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碳化硅陶瓷的无压烧结及性能研究
碳化硅陶瓷的无压烧结及性能研究
首先，无压烧结是一种常用的碳化硅陶瓷制备方法。
其工艺过程主要包括原料处理、混合、成型、干燥和烧结等环节。
在原料处理和混合过程中，需要选择高纯度的碳化硅粉末，并控制其粒度和分布等物理特性。
成型则可以通过注塑成型或压坯成型等方式实现。
干燥一般采用自然干燥或低温干燥的方法。
最后，将成型坯体置于高温炉中进行烧结，烧结温度可根据材料的要求进行调控。
其次，碳化硅陶瓷的性能对于其应用具有重要的影响。
在机械性能方面，碳化硅陶瓷具有很高的硬度和抗磨性，可用于制作高速切削工具。
此外，碳化硅陶瓷还具有优异的力学强度和疲劳性能，可用于制作高负荷、高强度的结构部件。
在耐腐蚀性方面，碳化硅陶瓷具有优异的耐酸碱性和耐氧化性，可用于制作化学反应器和催化剂承载体等。
此外，碳化硅陶瓷还具有优异的热稳定性和导热性能，可用于制作高温炉膛和热交换器等。
然而，碳化硅陶瓷在无压烧结过程中也存在一些问题。
首先，由于碳化硅粉末具有高的表面能，易于吸湿，因此在原料处理和成型过程中需要采取适当的措施防止湿气影响成型及烧结品质。
其次，碳化硅陶瓷的烧结温度较高，烧结过程中容易发生烧结收缩不均匀的问题，导致制品形状不良和裂纹等缺陷的产生。
此外，在无压烧结过程中，还需要考虑陶瓷材料的烧结助剂选择及添加量的控制，以提高烧结体的致密化程度。
综上所述，碳化硅陶瓷的无压烧结及性能研究对于发展碳化硅陶瓷的应用具有重要的意义。
通过优化烧结工艺和材料配方等方面的研究，可以进一步提高碳化硅陶瓷的制备质量和性能，满足不同领域对碳化硅陶瓷的需求。
无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺设计
无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺设计引言无压烧结碳化硅陶瓷环是一种重要的工程材料，具有高温强度、高硬度、耐腐蚀等优异特性，广泛应用于石化、冶金、电子等行业的高温、高压场合。
本文将介绍无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺设计。
原料准备1. 碳化硅粉末无压烧结碳化硅陶瓷环的主要成分是碳化硅粉末。
碳化硅粉末应具有适当的粒度和颗粒分布，以保证成型和烧结过程的顺利进行。
通常采用工业级碳化硅粉末，经过筛分和粉碎处理，获得所需的粒度范围。
2. 缩合剂缩合剂是为了增加材料的粘结力和成型性能而加入的。
常用的缩合剂包括有机胶粘剂、聚合物、陶瓷浆料等。
缩合剂的选择应根据材料的特性和工艺要求进行。
3. 助烧剂助烧剂是为了促进材料在烧结过程中的致密化和结晶化而加入的。
常用的助烧剂包括氧化铝、氮化硅等。
助烧剂的种类和添加量应根据材料的成分和性能要求确定。
成型工艺无压烧结碳化硅陶瓷环的成型工艺一般采用注塑成型或模压成型。
下面以注塑成型为例，进行介绍。
1. 碳化硅粉末预处理首先将碳化硅粉末与缩合剂进行混合，使其均匀分散。
然后通过制粒或湿法制浆等方式，将混合物进行处理，得到适合注塑成型的材料。
2. 注塑成型将经过预处理的材料放入注塑机的料斗中，经过高温和高压的作用，使材料熔化并溢出成型腔。
在注塑成型过程中，需要控制注塑机的温度、压力和注射速度等参数，以确保成型的质量。
3. 成型脱模经过注塑成型的材料需进行脱模处理。
通常使用冷却或加热的方式进行脱模。
脱模后的材料具有一定的强度和形状稳定性。
烧结工艺无压烧结碳化硅陶瓷环的烧结工艺对最终材料的密度和性能有着重要影响。
下面介绍一种常用的烧结工艺。
1. 制备烧结体将成型后的材料置于烧结炉中，经过一系列的升温和保温过程，使材料内部发生相应的物理和化学变化，形成初级烧结体。
2. 烧结过程将制备好的初级烧结体进行烧结。
烧结过程中，需要精确控制烧结炉的温度、气氛和时间等参数。
通常采用惰性气氛（如氩气）进行烧结，以防止材料氧化。
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北方民族大学课程设计报告院（部、中心）材料科学与工程学院姓名王乾象学号 20090167 专业材料科学与工程班级 094 同组人员张中马海浪温润浩海延军课程名称特种陶瓷材料课程设计设计题目名称无压烧结碳化硅陶瓷防弹片生产工艺设计起止时间成绩指导教师签名北方民族大学教务处制目录一研究背景和意义 (1)二生产工艺流程 (2)三原料准备 (3)3.1原料配比 (3)3.2各添加剂的作用 (3)四主要设备及其工作原理、结构和前景 (5)4.1主要设备 (5)4.2主要设备的工作原理、结构和前景 (5)五实验过程 (16)5.1粉料制备 (16)5.2素坯成型 (16)5.3素坯烧结 (17)5.4 加工 (17)5.5性能测试 (17)六数据处理 (18)七SiC陶瓷生产工艺平面布置图 (20)八制品缺陷分析 (21)九小结 (21)十参考文献 (22)一研究背景和意义由于防弹材料用于坦克、自行火炮、直升飞机及单兵防弹服、头盔、防弹盾板等，故要求重量轻，可见防弹材料应具备的特性可概括为：高硬度、高强度、高韧性和低密度，即“三高一低”。
对于防弹材料早在古代以采用青铜作铠甲，近代坦克仍然离不开钢甲，但陶瓷的防弹性能明显高于钢甲。
这是由于陶瓷的低密度效应、吸能效应、磨损效应和动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力。
满足以上条件的要属于碳化硅陶瓷了。
还要值得指出的是，穿甲弹丸、碎片等投射物主要依靠其动能来攻击目标，因此对投射物的防御就是如何有效地降低投射物的速度，并消耗其动能；另一个不可忽视的是投射物在撞击和侵彻目标时还产生应力波，在正对弹着点的背面处，往往造成圆锥形的碎裂崩落，则是应力波在背面自由表面反射形成拉伸波所致。
碳化硅（SiC）陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。
在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用。
目前，制备高密度SiC陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结等。
无压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。
抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。
SiC陶瓷的缺点是断裂韧性较低，即脆性较大，为此近几年以SiC陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维(或晶须)补强、异相颗粒弥散强化、以及梯度功能材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。
SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关，SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。
因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能；在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性；此外，SiC还有优良的导热性。
本方案通过以下制备工艺，制备出满足以上要求的碳化硅陶瓷防弹片。
二生产工艺流程由于陶瓷产品最终性能的要求或者成型过程的需要，成型之前需对粉末原料进行一些预处理，主要包括配料、混料、塑化、造粒等。
因此，碳化硅陶瓷环的生产工艺流程主要包括配料、混料、造粒、成型、烧结及后续机械加工等。
其生产工艺流程如图2.1。
图2.1碳化硅陶防弹片的生产工艺流程图三原料准备3.1原料配比在特种陶瓷工艺中，配料对制品的性能和以后各道工序影响很大，必须认真进行，否则会带来不可估量的影响。
本工艺碳化硅陶瓷原料主要有碳化硅、碳化硼、油酸、酚醛树脂、乙醇、水、Daram-c 及磨介等。
碳化硅陶瓷料的制备是按照配方比例进行配料的，本工艺所用料的配方比例如表3.1所示。
并按配方称量所需物质按下述操作进行料的制备。
查阅大量资料及特种陶瓷材料的实验，按照下表的数据配料最合适。
表3.1 配料表配料名称用量碳化硅385.6g碳化硼4g酚醛树脂24g油酸4ml乙醇140ml水260mlDararn 1mlHT 38.56ml聚氨酯球800g3.2各添加剂的作用(1)润滑剂—油酸纯油酸为无色油状液体，有动物油或植物油气味，久置空气中颜色逐渐变深，工业品为黄色到红色油状液体，有猪油气味。
纯油酸熔点16.3℃，沸点286℃(100毫米汞柱)，相对密度0.8935(20/4℃)，折射率1.4582，易溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂中，不溶于水、易燃、遇碱易皂化，凝固后生成白色柔软固体，在高热下极易氧化、聚合或分解、无毒，油酸由于含有双键，在空气中长期放置时能发生自氧化作用，局部转变成含羰基的物质，有腐败的哈喇味，这是油脂变质的原因。
商品油酸中，一般含7%～12%的饱和脂肪酸，如软脂酸和硬脂酸等，油酸的钠盐或钾盐是肥皂的成分之一，纯的油酸钠具有良好的去污能力，可用作乳化剂等表面活性剂，并可用于治疗胆石症，油酸的其他金属盐也可用于防水织物、润滑剂、抛光剂等。
添加油酸的目的：为了降低成型时粉末之间及粉末与模壁之间的摩擦，改善压坯密度分布减少磨具磨损消除磨具内表面的划伤，并有利于降低脱模压力。
（2）乙醇乙醇的结构简式为CH3CH2OH俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性，乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等，医疗上也常用体积分数为70%—75%的乙醇作消毒剂等，无色透明液体，有特殊香味，易挥发，能与水、氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多数有机溶剂混溶，相对密度(d15.56)0.816，易燃，蒸气能与空气形成爆炸性混合物。
机械混料分为干混和湿混，本实验采用湿混，其常用的液体介质是乙醇，由于其不与物料发生化学反应，沸点低易挥发、无毒性、来源广泛、成本低，其目的为了保证湿混过程能顺利进行。
四主要设备及其工作原理、结构和前景4.1主要设备表4.1 设备一览表设备尺寸（cm）备注设备名称所选型号长×宽×高三维混料机D247-63 140×130×110喷雾干燥机MOBILE MINOR2000 300×150×200干压成型机BRIQUETING PRESS 50 BRDE 100×100×150冷等静压机LDJ100/320-300 200×120×150真空烧结炉ZT-25-5Y 300×120×170电子天平AR2140流速计抛光机4.2主要设备的工作原理、结构和前景4.2.1三维混料机(1)工作原理：混合料桶，通过二只Y型万向节悬装于主、从动轴端部，二只万向节在空间既交叉又互相垂直。
当主动轴被拖动旋转时，万向节使料桶在空间周而复始地做平移、转动和翻滚等复合运动。
物料则在桶体内跟着作轴向、径向和环向的三维复合运动。
桶内的多种物料相互流动、扩散、掺杂，最后成均匀状态，三维混料机如图4.1所示。
4.1三维混料机(2)结构组成：由机座、调速电机、回转连杆及混合筒体等部分组成。
(3)研究前沿与现状目前混料机有多种类型，市场上常见混料机有提升式混料机、混料机、多功能混料机、V型混料机、粉体混料机塑料混料机、小型混料机、干燥混料机、卧式混料机、双轴混料机。
主要特点：a.主要用于各种金属粉末及金刚石粉料的混合；b.结构简洁，紧凑、可靠性高；c.混料均匀、效率高、无死点；d.混料桶用不锈钢制成，寿命长，无污染；e.可设定混料时间，实现无人值守。
V型混料机适用于粉体的均匀混合，混合效率高，操作更简单。
V型混料桶一般用不锈钢制作，内外都镜面抛光，结构设计上保证无积料死角，桶体可用手轮任意转动，以便出料或加料。
可根据用户需要加强制搅拌氮气保护加湿系统等装置。
提升式混合机，能自动完成提升、混合、下降等功能，是制药工业固体制剂生产中的理想混合设备，同时在药品、食品化工等行业广泛应用。
4.2.2 喷雾干燥机(1)工作原理：洁净空气加热后进入干燥塔，在塔内热风中用二流体（或三流体）喷嘴将各种料液物化成微小液滴，与热风进行快速热交换，蒸发掉液料中的水份（或溶剂），并随热风排出，得到粉状产品，喷雾干燥原理图如4.2所示，喷雾干燥器如图4.3所示。
图4.2 喷雾干燥其原理图(2)结构组成：喷雾带式干燥机主要有雾化器、喷雾干燥室、传送带、传送机构、带式干燥（冷却）室组成。
(3)研究前沿与现状：喷雾干燥机专为大专院校、科研院所、制药厂、从事医药（中药、西药、生物制药）食品、化工等科研部门在从事小试研究而设计的小型高效喷雾干燥机,干燥过程中低噪音、干燥速度快,液体受热温度较低，操作过程简单，方便,特别适用热敏性物料的干燥。
仍保持原有的色泽、香味，具有良好的分散性，流动性和溶解性。
溶剂可直接得到均匀干粉，省工、省力、卫生。
随着我国国民经济的高速发展，近20年来我国已有20余家能制造喷雾干燥装置的企业。
但是，大多数规模不大，生产手段、检测能力不足，企业本身的科研开发能力较弱。
略具规模的仅3~4家工厂，估计年产值约2亿~4亿元。
目前已从根本上扭转单纯依靠进口的局面，而且已有少量出口，方向主要是东南亚各国及韩国。
我国生产的喷雾干燥成套装置的规格和能力（按喷雾液量计），从5㎏/h到26000kg/h。
最近已开发成功45~90t/h能力的大型离心式喷雾干燥机（该装置是国家电力总公司为配套125MW发电机组烟气脱硫所用）。
已经可以满足国内各行业，多品种干燥产品的需要，大约可以覆盖400多种物料。
中国的喷雾干燥机的质量和综合性能，已接近丹麦NIRO公司水平。
图4.3 喷雾干燥机合金钢作为芯简体，然后用高强度钢丝按预应力要求，缠绕在芯筒外面，形成一定厚度的钢丝层，使芯筒承受目前干燥机的发展前沿是深入研究干燥机机理和物料干燥特性，一是开发和改进干燥机能在最优质的条件下对原料进行干燥，对制备材料采用大型化，高经济化，采用最大性价比的制备，以提高对原料的适应性和产品质量，目前干燥机的发展还重视节约能源，目前提倡低碳生活，即环保也大大降低了成本。
4.2.3 冷等静压机(1) 工作原理：冷等静压机是将装入密封、弹性模具中的物料，置于盛装液体或气体的容器中，用液体或气体对其施加以一定的压力，将物料压制成实体，得到原始形状的坯体。
压力释放后，将模具从容器内取出，脱模后，根据需要将坯体作进一步的整形处理，冷等静压机如图4.4所示。
(2) 结构组成：冷等静压机主要由弹性模具、缸体(高压容器)、框架、液压系统等组成。
①弹性模具：用橡胶或树脂材料制成,物料颗粒大小和形状对模具寿命有较大影响。
模具设计是等静压成型的关键，因为坯体尺寸的精度和致密均匀性与模具关系密切。
将物料装入模具中时，其棱角处不易为物料所充填，可以采用振动装料，或者边振动，边抽真空，效果更好。
②缸体：能承受高压的容器。
一般有两种结构形式：一种是由两层简体热装而成，内筒处于受压状态，外筒处于受拉状态，这种结构形式只适用于中小型等静压成型设备；另一种是采用钢丝预应力缠绕结构，用机械性能良好的高强度很大的压应力。