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1、碳化硅陶瓷防弹片地课程设计第一章 综述1.1 SiC陶瓷的基本性质1.1.1 碳化硅的晶体结构 SiC是以共价键为主的共价化合物，由于碳和硅两元素在形成SiC晶体时，它的基本单元是四面体，所有SiC均由SiC四面体堆积而成，所不同的只是平行结合和反平行结合，从而形成具有金刚石结构的SiC。SiC共75种变体，如3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC等，其中-SiC、-SiC最为常见。-SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；-SiC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SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系，在温

2、度低1600时，SiC以-SiC形式存在。当高于1600时，-SiC 缓慢转变成-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。1.1.2 碳化硅的硬度及韧性碳化硅的硬度相当高,仅次于几种超硬材料,高于刚玉而名列普通磨料的前茅,按莫氏刻痕硬度为9.2, 克氏显微硬度为22002800kg/mm2 (负荷100g)。碳化硅的热态硬度虽然随着温度的升高而下降,但仍比刚玉的硬度大很多。碳化

3、硅颗粒的韧性,通常是用定数量某种粒度碳化硅颗粒在定型模子中,施加规定压力之后未被压碎的颗粒所占百分率来反映的,它受颗粒形状等许多因素的影响。1.1.3 碳化硅的热膨胀系数和导热系数 在251400范围内，碳化硅的平均热膨胀系数为4.4*106/摄氏度，刚玉的热膨胀系数高达（78）*106/。所以表明碳化硅的热膨胀系数很低。碳化硅的导热系数很高,碳化硅的导热系数比其他耐火材料及磨料要大的多,约为刚玉导热系数的4倍。一般工程计算要引用碳化硅的导热系数时，可取0.06280.0963J/cms。1.1.4 碳化硅的化学稳定性碳化硅的化学稳定性极佳。碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层二氧化硅

4、薄膜,氧化进程逐步被阻碍。碳化硅陶瓷具有较强的耐酸耐碱性能，即具有良好的耐腐蚀性能。1.1.5 其它 碳化硅还具有良好的耐磨性，高弹性模量，抗渣能力强，耐冲刷性能，具有较高的高温强度。1.2 SiC主要烧结方法及特点表1-1 SiC主要烧结方法及特点烧结方法烧结原理条件特点反应烧结（自结合）SiC+C胚体在高温下进行蒸汽或液相渗Si，部分硅与碳反应生成SiC,把原来胚体中的SiC 结合起来，达到烧结的目的。14001600烧结温度低；收缩率为零；多孔质，强度低；残留游离硅多（8%-15%），影响性能热压烧结添加B+C、B4C、BN、AL、AL2O3、ALN等烧结，助剂，一面加压，一面烧结.19

5、50-210020-40MPa密度高，抗弯强度高；不能制备形状复杂制品；成本高无压烧结添加B、C、AL+B+C、AL2O3+Y2O3等烧结助剂的胚体，在惰性气氛进行固相或液相烧结2000-2200能制备出各种形状复杂制品；强度较高；纯度高，耐蚀性；烧结温度高（缺点）1.2.1 无压烧结一、固相烧结 1974年S Prochazka 通过在高纯度的- S i C细粉中同时加入少量的B和C助剂 , 采用无压烧结工艺 ,在2020 时成功地获得了密度高于98 %的碳化硅烧结体。S Prochazka认为 B的添加量应选择在0 .5 %左右,而且C的添加量则取决于SiC粉料中氧含量的高低。S Duna

6、以B和C为添加剂,采用热等静压等烧结工艺,在1900便获得了密度大98%、室温抗弯强度高达600MPa左右的细晶SiC陶瓷。陈巍等将添加质量分数为2.0%C+1.0 %B的S i C 经2150 2 h 无压烧结后,所得烧结体的弯曲强度为470MPa ,断裂韧性为5. 12 MPam1/2。优点：当同时添加B和C后，B固熔到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的二氧化硅还原除去，提高了表面能，因此B和C的添加为碳化硅的致密化创造了有利条件。常用的添加剂还有B4C+C，BN+C，AlN+C等。缺点：需要较高的烧结温度（2000）,对原粉材料的纯度要求较高,并且烧结体断裂韧性较低,有较强的裂

7、纹强度敏感性,在结构上表现为晶粒粗大且均匀性差，断裂模式为典型的穿晶断裂。二、液相烧结液相烧结是以一元或多元低共熔氧化物为烧结助剂，在比较低的温度下，利用低共融点产生液相促进碳化硅颗粒的移动、扩散和传质，从而实现碳化硅的致密化。即以一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂,使其与碳化硅颗粒表面的层起反应，在高温时形成部分晶界液相,导致界面结合弱化。优点：可以在较低温度下实现碳化硅的致密化，提高了材料的断裂韧性。使烧结设备要求和烧结成本大为降低。液相烧结还可以通过不同的烧结助剂的添加来改变材料的成分和性质。缺点：因为第二相的引入使材料的高温性能弱化，烧结体高温下（1800）的机械性能因液相的存在而降

8、低。1.2.2 热压烧结热压烧结方法是指在加压和加热条件下促使碳化硅烧结，一般压力在20-50MPa，由于采用一定的压力，利于增大碳化硅粒子间的接触面积，从而促进碳化硅烧结。优点：烧结时间短，烧结温度相对较低。烧结助剂量少，可制得高密度产品。缺点：生产效率低，只能生产形状简单的制品。1.2.3 热等静压烧结 热等静压烧结是指以热等静压反应容器为主要反应装置，通过控制温度（大概10002000）和控制容器压力（以惰性气体等气体为传压介质，大概为 200MPa），在合适的温度和压力条件下进行烧结。优点：所以得到的碳化硅陶瓷结构均匀，性能优异。缺点：生产成本高，温度和压力对其性能影响较大，不能用于制

9、造形状复杂的产品，适用范围受到了限制。1.2.4 反应烧结反应烧结是粉末的合成和烧结同时进行的方法。用硅粉加碳粉并加SiC粉作填粉，成型后烧结。在高温下发生Si（液或气相）+C（固）生成了极细的SiC结晶。优点：反应烧结碳化硅陶瓷的制备工艺较为简单。制备温度低，制备时间短。反应烧结的烧结过程中几乎没有收缩，能够得到与坯体形状、尺寸相同的烧结体，可制备大尺寸制品。因为不用烧结助剂，故容易得到高纯的制品从而高温性能降低很小。缺点：在通常的制备工艺中,由于大量有机物的引入使坯体在热处理过程中发生较大的吸热或放热效应,使素坯产生裂纹的几率大大上升,限制了这种材料的广泛应用。1.3结论综上比较得出，热压

10、烧结和等静压烧结皆不能生产形状复杂的的产品，而无压烧结可以制备复杂的形状和尺寸的SiC部件，相对容易实现工业化生产。反应烧结碳化硅陶瓷相对于无压固相烧结碳化硅耐高温性能差，特别是温度超过1400时碳化硅陶瓷的抗弯强度急剧下降，并且其不耐强酸强碱。而采用无压固相烧结的碳化硅陶瓷，其在高温下的机械性和在强酸强碱下的耐腐蚀性远好于反应烧结碳化硅。故选用无压烧结生产碳化硅陶瓷。1.4 SiC无压烧结陶瓷的现状碳化硅已经是广泛应用的碳化物陶瓷之一，所以通过无压烧结方法制备高性能、低成本的碳化硅陶瓷成了人们研究的热点之一。碳化硅具有高弹性模量、高强度、高硬度、高热导、低热膨胀、高抗热震性、耐磨损和耐腐蚀等

11、一系列优良性能，并且价格低廉。碳化硅陶瓷所具备的这些优良性能使其广泛用于航空航天、电力电子、机械工业、石油化工等许多领域，可以应用在金属耐磨材料或高分子耐磨材料不能胜任的场所，在耐磨领域中展示着重要的应用前景，例如，可以用作耐磨零件、用于研磨介质、用于防弹板、用于喷嘴、 用于研磨盘 、用于磁力泵泵件等。所以无压烧结碳化硅陶瓷在国内外的市场相当可观。1.5 主要内容（1）选定碳化硅原料、烧结助剂种类，选择合适的配比进行成型烧结。 （2）碳化硅陶瓷的物理性能、力学性能和显微结构的测试分析。 （3）碳化硅陶瓷烧结机理及结晶性能的研究，包括 SiC 陶瓷在烧结过程中所产生的化学变化，结构、含量、成份的

12、变化，及烧结过程中气氛的影响。第二章主要设备选型2.1主要设备表设备名称型号外观尺寸或孔直径(mm)行星球磨机NK01XQM三维混料机MX12201140990mm烘箱电子天平JJ300金属模具5050mm干压成型机YA32真空烧结炉GDQ16mm磨床抛光机流速计FL4-1微机控制电子万能试验机表2-1 主要设备2.2原料及配比陶瓷产品性能取决于陶瓷原料配方和生产工艺等大量因素，其中坯料的原料配方对产品性能起着决定性的作用。本实验所用的原料及配比如下表 2-2 表 2-2原料配比原料称量值SiC94gB4C1g酚醛树脂6g蒸馏水65g乙醇35ml油酸1ml分散剂0.1ml2.3主要设备说明2.

13、3.1三维混料机MX系列三维涡流混料机主要适用于金刚石制品、粉末冶金、食品、化工、制药等行业的粉末或微小颗粒的混料搅拌。主要特点,三维空间、六个自由度、加速、减速、抖动、摇滚等多种运动方式有机结合,不存在运动死角、混料时间任意设定，混料速度可调。混料均匀、效率高、减小了粉料的氧化程度、工作原理:该机在运行中，由于混料桶体具有各方向运转动作，使各种物料在混合过程中加速流动和扩散作用，同时避免了一般混料机因离心力作用所产生的物料比重偏析和积聚现象，混合无死角，能有效确保混合物料的最佳品质。结构组成:机由几座、传动系统、电器控制系统、多向运动机构、混合筒等部件组成。与物料直接接触的混合筒采用优质不绣

14、刚材料制造，筒体内外壁均经镜面抛光。三维涡流混料机的参数表 2-3表 2-3 MX系列三维涡流混料机的参数型号容积输出转速外观尺寸混料时间MX型18L14-22r/min12201140990mm 100h2.3.2行星球磨机行星式球磨机是混合、细磨、小样制备、纳米材料分散、新产品研制和小批量生产高新技术材料的必备装置。行星式球磨机产品体积小、功能全、效率高、噪声低，是科研单位、高等院校、企业实验室获取微颗粒研究试样（每次实验可同时获得四个样品）的理想设备，行星式球磨机配用真空球磨罐，可在真空状态下磨制试样。 1.工作原理:XQM系列变频行星式球磨机是在同一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，

15、球磨罐在绕转盘轴公转的同时又围绕自身轴心自转，作行星式运动。罐中磨球在高速运动中相互碰撞，研磨和混合样品。该产品能用干、湿两种方法研磨和混合粒度不同、材料各异的产品， 研磨产品最小粒度可至0.1微米（即1.010mm-4） ,行星球磨机参数表2-4 。表 2-4 行星球磨机参数表型号进料粒度出料粒度转速最大装样量NK01XQM10mm0.1um公转：50-400r/min自转100-800r/min球磨罐容积的2/32.3.3干压成型机图3干压成型机1.工作原理：压泵是油压系统的动力源，是靠泵的作用力使液压油通过液压管路进入油缸/活塞油缸/活塞里有几组互相配合的密封件，不同位置的密封都是不同的

16、，但都起到密封的作用，使液压油不能泄露。最后通过单向阀使液压油在油箱循环使油缸/活塞循环做功，实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。油压缸：将油压能转化为机械能油压传动是利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式油压装置是由油压泵，油压缸，油压控制阀和油压辅助元件。 2.结构组成：四柱油压机由主机及控制机构两大部分组成。四柱油压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。 3.用途：广泛用于汽车行业的零配件加工及各行业多种产品的定型、冲边、校正及制鞋、手袋、橡胶、模具、轴类、轴套类零件的压装、压印成型、

17、板材零件的弯曲、压印、套形拉伸等工艺，洗衣机、电动机、汽车电机、空调电机、微型电机、伺服电机、车轮制造、减振器、摩托车及机械等行业。2.3.4冷等静压机图4 冷等静压机粉末制品的成型，零件烧结前的成型和热等静压前的毛坯预成型。具有致密度高、密度分布均匀，各向同性好等特点，可压制尺寸大、细长比大、形状复杂的制品，可广泛应用于各类硬质合金、耐火材料、磁性材料、陶瓷、石墨、有色金属及高比重合金的粉末制品。冷等静压机参数表2-5表 2-5 冷静等压机参数表型号功率最高工作压力升压时间工作缸有效尺寸LDJ100/320-3002.2kw300Mpa3Min100320mm2.3.5真空烧结炉真空烧结炉主

18、要用于粉末冶金制品、金属注射成型制品、不锈钢基、硬质合金、超合金、高比重合金、陶瓷材料、磁性材料等。真空烧结能够减少七分钟的有害成分（水、氧、氮及其他的杂质等）对物料的污染，避免出现脱碳、渗碳、还原、氧化和渗氮等一系列反应；能够使材料的耐磨性及强度更高；降低产品成本也有显著效果等优点。GDQ系列真空烧结炉参数表2-6表 2-6 GDQ系列真空烧结炉参数表型号通径GDQ-J1616mm2.3.6金属模具本工艺生产陶瓷压环所采用的模具为金属模具，其要求如表2-7所示。表 2-7模具参数设备名称外观（mm）内部(mm)金属模具50*502.3.7电子天平 JJ系列电子天平是继T系列电子天平之后推出的

19、更高精度的产品，它继承了T系列电子天平的优点并具备了自身的优势，水平泡和水平调整脚保证天平自身和数据的稳定，此外，天平配置有标准RS232接口，可连接打印机和计算机。电子天平的技术指标表 2-8。表 2-8 电子天平的技术指标设备名称型号秤盘尺寸分辨率最大称量电子天平JJ300135mm0.01g300g2.3.8流速计FL4-1型霍尔流速计是依据国家标准GB 1482-84的规定设计生产。本装置适用于用标准漏斗法测定金属粉末的流动性。凡能自由流过孔径为2.5mm标准漏斗的粉末，均可采用本装置。其原理是：金属粉末的流动性，以50g金属粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间来表示。FL4-1型流

20、速计的结构参数表 2-9表 2-9 FL4-1型流速计的结构参数型号漏斗小孔直径支架、底座、接收器天平秒表量筒FL4-12.5mm相互支撑100g0.01s25ml2.3.9 抛光机抛光机的组成结构图5 抛光机抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。原理：电动机固定在底座上，固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。抛光机织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机通过底座上的开关接通电源起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。抛光过程中加入的抛光液可通过固定在底座上的塑料盘中的排水管流入置于抛光机旁的方盘内。抛光罩及盖可防止灰土及其他杂物在机器不使 用时落在抛光织物上而

21、影响使用效果。抛光机操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层。同时也要使抛光损伤层不会影响最终观察到的组织，即不会造成假组织。2.4工艺平面布置图入口产品库入口原料库浆料制备室喷雾造粒室成型室烧结室加工车间原料浆料制备 喷雾造粒成型 烧结加工 图2-10工艺过程图 图2-11 工厂设备布置图 第三章 工艺工程3.1工艺流程图3.2 SiC原料的制备3.2.1 喷雾造粒我们采用喷雾造粒（喷雾干燥）法制造 SiC 粉体，它是通过机械作用，将需干燥的物料，分散成很细的像雾一样的微粒（增大水分蒸发面积，加速干燥过程）与热空气接触，在瞬间将大部分水分除去，使物料中的固体物质干

22、燥成粉末。得到可以粒径分布较为均匀、纯度较高的的 -SiC 粉体，且其中应有98%以上的粉体其粒径控制在亚微米级以内。3.2.2 原料的选取和浆料的制备过程酚醛树脂和B4C粉混合后作为胶粘剂，乙醇可以溶解酚醛树脂同时也可以起到防聚作用，聚甲基丙烯酰胺作为分散剂。本次方案：称取94g SiC 粉体，1g B4C 粉，蒸馏水65g，酚醛树脂6g，乙醇35ml,油酸1ml,聚甲基丙烯酰胺0.1ml。将蒸馏水调至pH10，并将酚醛树脂和乙醇置于烧杯混合后，将上述原料一并倒入密封罐中（事先检查密封罐密封是否良好），放入聚氨酯后将密封罐置于三维混料机并固定后，启动混料机进行5小时混料过程。3.2.3 球磨

23、 本方案采用行星球磨机完成球磨过程，球磨不仅可以使原料混合得更加均匀，还可以使粉料粒度降低，达到成型要求。将充分混合、均匀的浆料倒入球磨罐后，称量400g磨介并倒入罐中，将球磨罐置于行星球磨机中固定后，设置球磨时间10小时，启动设备。3.2.4 干燥及研磨过筛将球磨好的浆料倒入烧杯中，而后将烧杯置于干燥箱中进行24小时的干燥过程！干燥结束后，便将干燥好的粉料进行研磨并过筛，筛子的规格为80目。3.3 胚料成型工艺3.3.1 成型方式的选择陶瓷材料的成型工艺是制备陶瓷材料的重要环节,也是提高陶瓷坯体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的一个关键环节。理想的陶瓷材料成型工艺应该具有坯体显微结构均匀、密度高、

24、强度高、可实现近净尺寸成型等特点。目前成型碳化硅的常用方法有注浆成型、等静压成型、干压成型、注射成型、热压铸成型、凝胶注模成型和挤出成型等，本方案由于制造的坯体较小，形状简单，故采用干压成型的方法！干压成型法工艺简单，操作简单，周期短成本低且成型效率高,成型制品尺寸稳定性好,适合大批量工业化生产。根据压头和模腔运动方式不同,干压成型可分为以下几种：(1) 单向加压,即模腔和下压头固定,上压头移动;(2) 向加压,模腔固定,上、下压头移动;(3) 可动压模,下压头固定,模腔和上压头移动,即压头和模腔的运动是同步的,使用液压控制时,在某一设定压力下压头停止移动。本方案采用单向加压干压成型法。3.3

25、.2 干压成型法的模具选择模具以及模具的装配方式对产品质量以及模具等的使用寿命有着直接的影响。在装配过程中粉体与模具之间存在着相互的摩擦力，所以模具材料应该具有一定的耐磨损性能，同时，还应考虑压制过程中粉末的受力情况、操作的可行性及方便程度等。装模过程中要小心配合，使上下模具正好配合良好，不能弯曲或者偏移很大角度，否则容易使成型出来的产品产生变形，同时要保证在模具内充满了SiC的粉体，否则也会产生产品形状不规则从而影响质量和后续的检验。制作检验的块时也应该使SiC粉均匀分布于模具内部。在模具内部装满粉料之前均应在模具四周各个部件涂抹适当的润滑油以便于后续的脱模等工作。填入粉体后可用工具敲击模具

26、四周使内部粉体充分均匀分布。3.3.3 干压成型工艺参数 成型压力大小的选择取决于坯体的形状、高度、粘合剂的种类和数量、粉体的流动性、坯体的致密度等。本方案中干压成型采用的是16t的压力。 加压方式，由于制备的防弹片高度不是很大，因此采用单向加压的方式，虽有压力梯度，但对产品性能影响不大。（高度小，压力梯度小）加压的速率和时间对产品性能也有一定的影响，在加压前缓慢旋转压力控制旋钮，使压力增到16t时停止，此过程较容易控制。若加压速度过快，保压时间过短时，坯体中会有气体残留，且压力传递不到应有的深度；若加压时间过慢，保压时间过长，容易导致产品破裂和分层等问题。从而降低了生产效率。本次方案中制备碳

27、化硅陶瓷防弹片的保压时间为60s。3.3.4 冷等静压等静压是将预压好的坯体包封在弹性的橡胶模具或塑料模具内,然后置于高压容器中施以高压(压力通常在100以上),压力由液体介质传递至弹性模具对坯体加压。然后释放压力,取出模具并从模具中取出成型好的坯体。经过冷等静压压制的坯体，密度较为均匀，减小甚至消除了干压成型时产生的压力密度梯度，虽然冷等静压的效果很明显，但是由于本方案制造的防弹片不厚，所以此工艺为可选工艺。3.4 防弹片的烧结工艺本次方案采用无压烧结，无压烧结又称常压烧结，是指在常压下，通过向 SiC 粉体中加入一些助烧剂，烧结得到致密的材料。由于无压烧结在成型尺寸、经济成本、工艺可行性等

28、方面的具不可替代的优势，已经被认为是最具前途的 SiC 烧结工艺。无压条件下烧结碳化硅陶瓷材料，往往需要添加助烧剂或结合第二相，才能够在较低烧结温度下获得较致密的材料。SiC 陶瓷的无压烧结，按照其致密化机理可以分为两种：液相烧结和固相烧结。固相烧结是指在 SiC 粉体中添加B+C、B4C 等，B 等元素能够溶于 SiC 中，B 与 SiC 高温时能够形成置换固溶体，从而使相接触的 SiC 晶粒间形成能量较低的晶界，促进 SiC 的致密化。此外加入的 C 元素，能够与碳化硅表面的 SiO2发生反应，可以去除 SiC 表面的SiO2氧化膜，使碳化硅表面能得到提高。液相烧结是指在 SiC 粉体中加

29、入金属氧化物，在较低温度（2000）下，金属氧化物熔化或与 SiO2等反应生成为液相，通过液相烧结达到致密化，常用的烧结助剂有 MgO2、Al2O3、Al2O3+Y2O3及其他一些稀土氧化物。本次方案采用无压烧结固相法。3.4.1 烧结气氛要求本次实验方案中以氩气作为保护气氛，为防止碳化硅在高温烧结时被氧化，影响其性能，碳化硅制品的烧结中还受烧结助剂、稳定剂等的影响，加入烧结助剂可降低烧结温度，稳定剂提高碳化硅烧结过程中的稳定性。3.4.2 烧结温度设计烧结温度的高低是影响烧结过程的最重要因素，它直接影响着产品的性能，必须严格控制。只有在适当的温度范围内,相对密度才可超过96%（理论密度可达到

30、3.21g/cm3 )。在此过程中，烧结温度过高或过度都会对产品产生很大影响，当烧结温度过高时，晶粒快速长大导致其密度和力学性能下降，当温度过低时，烧结体的强度、硬度、密度等力学性能指标均达不到我们的要求，故要在合适的温度范围内对其进行烧结。多次试验结果表明：SiC陶瓷在2130-2220【7】范围内烧结，可以获得致密度高、力学性能优良的产品。本次试验在无压烧结中烧结温度控制即烧结工艺如下表3-1，烧结时间为8小时。表3-1温度/01000100012501250125017301730173021302130时间/min12025保温3048保温305530本方案采用退火工艺，即随炉冷却，第二天再取出。3.5 精加工过程精加工过程包括打磨和抛光两部分，使用2000目砂纸进行粗磨，使用羊毛垫和多能磨抛机进行抛光。粗磨和抛光不仅可以使产品外观漂亮，观感提高，更可以使表面致密度提高，降低被侵蚀度。碳化硅特种陶瓷属于脆性材料，硬度大、脆性大、加工性能差，加工难度大，用多能磨抛机可以很好的完成磨抛工序。