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。