[发明专利]一种碳化硼材料的制备方法及其应用

说明书

碳化硼硬度高，其对于动能弹和弹药碎片的防御能力很强，而且碳化硼质量较轻，是制备防弹衣、防护装甲的理想材料。本发明首先制备多孔碳化硼材料，再通过浸渍、焙烧对部分多孔结构进行填充，得到了一种同时具有致密层和多孔层的碳化硼材料，使材料同时具有高硬度和吸波性能，提高材料应用于防弹材料时的抗冲击能力。

技术领域

本发明涉及一种防弹材料领域，特别是一种碳化硼材料。

背景技术

碳化硼又称黑钻石，通常为灰黑色微粉，是一种新型陶瓷材料，具有熔点高、硬度高、密度低、热稳定性好、抗化学侵蚀能力强和中子吸收能力强等特点，因而被广泛应用于能源、军事、核能以及防弹领域。碳化硼最重要的性能是其超常的硬度，是仅次于金刚石和立方氮化硼的第三硬材料，碳化硼近于恒定的高温硬度是其它材料所无法比拟的。

由于碳化硼硬度高，其对于动能弹和弹药碎片的防御能力很强，而且碳化硼质量较轻，是制备防弹衣、防护装甲的理想材料，并得到了广泛的关注。然而，现有制备工艺得到碳化硼晶粒粗大、缺陷多、致密度低，因而其强度和韧性并不理想，如何改善碳化硼的致密度以提高其硬度，并同时使材料具备足够的抗冲击性是防弹领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明通过制备同时具有致密层和多孔层的碳化硼复合材料，使材料同时具有高硬度和吸波性能，提高材料应用于防弹材料时的抗冲击能力。

一种碳化硼材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备多孔碳化硼块体

将碳化硼粉加入到含有分散剂的水溶液中，搅拌均匀，加入成孔剂，球磨3-5h，成型，真空条件下烧结，得到多孔碳化硼块体；

(2)浸渍、焙烧

将70％-85％的硼酸溶于甘油中，搅拌均匀，得到硼酸溶液；在真空条件下将多孔碳化硼块体部分浸入硼酸溶液中，浸渍20-30分钟，取出，在氩气保护下焙烧，真空下冷却到室温，得到碳化硼材料。

步骤(1)中，所述分散剂为EDTA或硬脂酸钠，用量为述B₄C粉质量的0.4～0.7％。

步骤(1)中，所述成孔剂为PEG-400，用量为述B₄C粉质量的5～10％。

步骤(1)中，B₄C粉按固含量为30％～50％的比例加入；B₄C粉的粒径为3～5μm。

步骤(1)中，所述烧结的温度为2000～2300℃，时间为3-5h。

步骤(2)中，硼酸与甘油的摩尔比为5-7∶1。

步骤(2)中，焙烧方式为通过程序升温，先以5-10℃/min的升温速度，升温至400-500℃，保温8-10h，再以10-15℃/min的升温速度，升温至1500-1600℃，保温5-6h。

步骤(2)中，将多孔碳化硼块体部分浸入硼酸溶液中时，浸入部分的高度占块体材料总高度的20-50％。

有益效果：

本发明通过部分浸渍的方法，使得硼酸和甘油浸入到碳化硼多孔材料中，在煅烧过程中，硼酸和甘油在碳化硼多孔材料的空隙中反应生成了碳化硼，填补了碳化硼多孔材料的部分空隙，使得碳化硼多孔材料的下层形成致密的结构，从而得到一种上部为多孔结构，下部为致密结构的碳化硼复合材料，其致密部分具有高硬度，从而使复合材料保持良好的硬度，其多孔部分可起到吸收剩余能量的作用，有助于材料在整体上表现出更优的硬度。由于多孔结构和致密结构为整体结构，不存在由于不同材料之间的结合而导致的能量传递效率低、结构不稳定等问题，在防弹过程中具有更好的抗热冲击性。