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1、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 .33.1 原料配比 .33.2 各添加剂的作用 .3四 主要设备及其工作原理、结构和前景 .54.1 主要设备 .54.2 主要设备的工作原理、结构和前景 .5五 实验过程 .165.1 粉料制备 .165
2、.2 素坯成型 .165.3 素坯烧结 .175.4 加工 .175.5 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 .221一 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
3、 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
4、 ， 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
5、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2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
6、 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
7、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。3配方计算烧结 干燥 成型混合配料性能检测图 2.1 碳化硅陶防弹片的生产工艺流程图三
8、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 24g4油酸 4ml乙醇 140ml水 260mlDararn 1mlHT 38.56ml聚氨酯球 800g3.2 各添
9、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
10、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。5（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 设备一览表设备名称 所选型号设备尺寸（cm）长宽高备注三维混料机 D247-63 1401
