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.doc

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331原料配比332各添加剂的作用3四主要设备及其工作原理、结构和前景541主要设备542主要设备的工作原理、结构和前景5五实验过程1651粉料制备1652素坯成型1653素坯烧结1754加工1755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SIC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21。配方计算烧结干燥成型混合配料性能检测图21碳化硅陶防弹片的生产工艺流程图三原料准备31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、DARAMC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31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31配料表配料名称用量碳化硅3856G碳化硼4G酚醛树脂24G油酸4ML乙醇140ML水260MLDARARN1MLHT3856ML聚氨酯球800G32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163，沸点286100毫米汞柱，相对密度0893520/4，折射率14582，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712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7075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D15560816，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41主要设备表41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D24763140130110喷雾干燥机MOBILEMINOR2000300150200干压成型机BRIQUETINGPRESS50BRDE100100150冷等静压机LDJ100/320300200120150真空烧结炉ZT255Y300120170电子天平AR2140流速计抛光机42主要设备的工作原理、结构和前景421三维混料机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41所示。41三维混料机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。422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42所示，喷雾干燥器如图43所示。图42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34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4590T/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43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。423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44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。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。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。即使在工作条件下，也不承受拉应力或很小的拉应力，这种容器具有很高的抗疲劳寿命，可以制造直径较大的容器。容器的上塞和下塞都是活动的，加压时，上下塞将力传递到机架上。图44冷等静压机框架有两种结构形式一种为叠板式结构，采用中强度钢板叠合而成；另一种为缠绕式框架结构，由两个半圆形梁及两根立柱拼合后用高强度钢丝预应力缠。液压系统由低压泵、高压泵和增压器以及各式阀等组成。开始由流量较大的低压泵供油，达到一定压力后，再由高压泵供油，如压力再高，则由增压器提高油的压力。工作介质可以是水或油。3现状与研究前沿冷等静压机按压成型方法可分为两种湿袋法冷等静压机和干袋法冷等静压机。湿袋法冷等静压由弹性模具、高压容器、顶盖和框架等组成。此法将模具悬浮在液体内，又称浮动模法。在高压容器内可以同时放入几个模具。干袋法冷等静压机由压力冲头、高压容器、弹性模具、限位器、顶砖器等组成。此法将弹性模具固定在高压容器内，用限位器定位，故又称为固定模法。操作时提升冲头将粉料装入模内，装好料后用压力冲头封闭上口。加压时，液体介质注入缸内壁和模具外表面间，对模具各个方向同时均匀施压。脱模用顶砖器从模内推出坯体。等静压工艺的特点A采用等静压机制坯，坯体的密度高而且均匀，烧成收缩小，不易变形。B能成型常规模压工艺难以制备的细长棒状或管状压坯。C制品具有高强度和良好的可加工性，可大大降低内应力。D模具制作方便，寿命长，成本相对较低。E能成型大尺寸的压坯，每缸可以压制多件压坯。424真空烧结炉1工作原理在真空环境中对被加热物品进行保护性烧结的炉子，其加热方式比较多，如电阻加热、感应加热、微波加热等。2结构组成结构形式多为立式。其主要组成为电炉本体、真空系统、水冷系统、气动系统、液压系统、进出料机构、底座、工作台、感应加热装置、进电装置、中频电源及电气控制系统等。3现状与研究前沿真空感应炉是利用感应加热对被加热物品进行保护性烧结的炉子，可分为工频、中频、高频等类型，可以归属于真空烧结炉的子类。真空感应烧结炉是在真空或保护气氛条件下，利用中频感应加热的原理使硬质合金刀头及各种金属粉末压制体实现烧结的成套设备，是为硬质合金、金属镝、陶瓷材料的工业生产而设计的。以图45所示VSWF真空感应钨烧结氢气炉为例说明。图45感应钨烧结氢气炉1主要原理及用途真空感应钨烧结炉是在抽真空后充氢气保护状态下，利用中频感应加热的原理，使处于线圈内的钨坩埚产生高温，通过热辐射传导到工作上，适用于科研、军工单位对难熔合金如钨、钼及其合金的粉末成型烧结。2主要结构及组成结构形式多为立式、下出料方式。其主要组成为电炉本体、真空系统、水冷系统、气动系统、液压系统、进出料机构、底座、工作台、感应加热装置钨加热体及高级保温材料、进电装置、中频电源及电气控制系统等。3主要功能在抽真空后充入氢气保护气体，控制炉内压力和气氛的烧结状态。可用光导纤维红外辐射温度计和铠装热电偶连续测温02500，并通过智能控温仪与设定程序相比较后，选择执行状态反馈给中频电源，自动控制温度的高低及保温程序。425、抛光机1抛光机的组成结构抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。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影响使用效果。2抛光机的工作原理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。前者要求使用较粗的磨料，以保证有较大的抛光速率来去除磨光的损伤层，但抛光损伤层也较深；后者要求使用最细的材料，使抛光损伤层较浅，但抛光速率低。解决这个矛盾的最好的办法就是把抛光分为两个阶段进行。粗抛目的是去除磨光损伤层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛形成的表层损伤是次要的考虑，不过也应当尽可能小；其次是精抛，其目的是去除粗抛产生的表层损伤，使抛光损伤减到最小。抛光机抛光时，试样磨面与抛光盘应绝对平行并均匀地轻压在抛光盘上，注意防止试样飞出和因压力太大而产生新磨痕。同时还应使试样自转并沿转盘半径方向来回移动，以避免抛光织物局部磨损太快在抛光过程中要不断添加微粉悬浮液，使抛光织物保持一定湿度。湿度太大会减弱抛光的磨痕作用，使试样中硬相呈现浮凸和钢中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象；湿度太小时，由于摩擦生热会使试样升温，润滑作用减小，磨面失去光泽，甚至出现黑斑，轻合金则会抛伤表面。为了达到粗抛的目的，要求转盘转速较低，最好不要超过600R/MIN；抛光时间应当比去掉划痕所需的时间长些，因为还要去掉变形层。粗抛后磨面光滑，但黯淡无光，在显微镜下观察有均匀细致的磨痕，有待精抛消除。精抛时转盘速度可适当提高，抛光时间以抛掉粗抛的损伤层为宜。精抛后磨面明亮如镜，在显微镜明视场条件下看不到划痕，但在相衬照明条件下则仍可见到磨痕。抛光机抛光质量的好坏严重影响试样的组织结构，已逐步引起有关专家的重视。近年来，国内外在抛光机的性能上作了大量的研究工作，研究出不少新机型、新一代的抛光设备，正由原来的手动操作发展成为各种各样的半自动及全自动抛光机。426显微硬度计1显微硬度计的概况硬度是一个重要的力学性能指标，它能反映材料弹性和塑性变形的特性指标。硬度测定时试样制备简单，试样基本不被破坏，接近无损检测，在不同尺寸与形状的试样上测定时，操作简便，测量速度快，并且硬度与强度之间有着相似的换算关系，根据硬度值能够得出近似的强度极限值；硬度测定是用标准形状和尺寸的较硬物体在一定压力下接触材料表面，测定材料在变形过程中表现出来的抗力，称为硬度测试。用不同的载荷施加力的方法所得到的硬度是表现材料抵抗塑性变形的能力，肖氏硬度则表现了材料抵抗弹性变形的能力；日常中我们把载荷大于1KG测试力的称为宏观硬度，它主要用于较大的试件，希望通过硬度测试能够反映材料的宏观性能；载荷小于1KG测试力的称为微观硬度，它主要用于小而薄的试件，希望反映出微小领域内的材料性能，如显微组织的相硬度、材料的表面硬度。（2）显微硬度计的工作原理显微硬度的测试原理基本和维氏硬度测试相同，所不同的是压头采用的是两对面夹角为136；底面为正方形的正四棱锥金刚石压头和一径角为，横断角为的金刚石锥形压头，即克努普金刚石压头（入下图）。显微硬度计和维氏硬度计所用的载荷分别为1KG、2KG、3KG、5KG、10KG、20KG、30KG、50KG、100KG、120KG等，常用的为1KG、2KG、5KG、10KG、30KG、50KG。载荷的大小主要取决于试件的厚度。测试的最终硬度是通过压痕单位面积上所能承受的载荷来表示的。将选定的固定实验力（载荷）压入试样表面，并经过规定的保持时间（保荷），然后卸除实验力（卸荷）后，在试样表面残留出一个底面为正方形的正四棱锥或克努普压痕，通过测微目镜测量其对角线的长度，得到压痕的面积，显微硬度值就是实验力与压痕表面积的比值。（3）显微硬度计的结构特征显微硬度计由硬度计主机及测微目镜和相关附件组成。测微目镜是用来观察金相或显微组织，确定测试部位，测量对角线长度，数据的采集等；硬度计主机则是完成目镜与压头的切换，在确定的测试部位进行施加载荷，完成平台的移动寻找像点等；相关附件主要是为了试件的夹持稳固等。五实验过程51粉料制备将碳化硅、碳化硼和油酸按适当比例混合，再把酚醛树脂和DARARN溶于乙醇溶液中，用氨水调节为中性，将溶液和粉料混合后加入磨介在混料机中混合15H；加入HT溶液继续混料05H。对浆料进行喷雾干燥造粒，进风温度为185，出口温度为80。对喷雾造粒粉末进行过筛处理,筛网孔径为80目。喷雾干燥法是将溶液分散成小液滴喷入热风中，使之迅速干燥的方法。喷雾干燥法得到的粉末颗粒呈球状，粒度均匀，流动性好。52素坯成型取30G碳化硅陶瓷预混合粉末放入50MM50MM方形钢模中,将干压机的压力设为16T，对粉料预成型，再将预成型坯体用保鲜膜包好，放入冷等静压机的油筒中，压力为250MPA保压时间1MIN,卸载后脱模,就得到了碳化硅陶瓷。53素坯烧结将压制好的素坯放入石墨坩埚中,然后将坩埚放入烧结炉,于氩气保护气氛下升温烧结。烧结制度是从0升温到1000用时120MIN，1000到1250用时25MIN，保温30MIN，再用60MIN升温到1850，保温30MIN，最后用70MIN升到2130，保温30MIN后，自然降温。54加工先用磨床打磨防弹片，将防弹片夹在工作台上，开启皂液，开始打磨，慢慢下刀，并不断地使防弹片前后运动，直到防弹片表面平整，取出防弹片，分别用120目，180目，360目，400，800目，1200目，1400目，1800目，2000目的砂纸打磨，最后进行抛光，直到呈现镜面。55性能测试用三点弯曲测抗弯强度,用阿基米德排水法测试密度。表51三点抗弯强度试样高度（H）试样宽度（B）最大力三点弯曲强度B3单位MMMMNMPA第1根344697358717当最大压力为46973N时，三点抗弯强度为58717MPA力位移曲线05010015020025030035040045050000060120180240303604204805406MMN图51三点抗弯曲线图六数据处理表61粉料性能参数松装密度松装质量漏斗质量/漏斗体积1342111660/20088G/ML漏斗质量11660G漏斗体积20ML表62素坯尺寸参数样品质量（G）长（MM）宽（MM）厚度（MM）12920503150316762293250355033677表63烧结后防弹片的尺寸参数样品空气中的质量G水中的质量G长（MM）宽（MM）厚度（MM）12805192160406640605522283219047141104127554表64烧结前后参数比较样品长度收缩（）宽度收缩（）厚度收缩（）体积收缩（）密度（G/CM3）烧失率（）次数流动性/S松装质量/G136441343623684134173371013409平均值3