无压烧结碳化硅陶瓷防弹片的工艺生产设计课程设计

无压烧结碳化硅陶瓷防弹片的工艺生产设计课程设计内容摘要：

以及耐酸碱化学腐蚀等优异特性。 将素坯放入真空无压烧结炉中 , 根据不同的速度升温至所需温度 ( 2200176。 C) , 保温 2 h。 烧结试样经过精加工处理 , 获得所需防弹材料。 料浆的制备 将亚微米级 SiC 粉体 、 无水乙醇放入硬质塑料罐中，然后分别将作为粘接剂 、 增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂 、 油酸按比例加入后湿法球磨 2h，过筛浆料，取出磨介，值得所需的浆料。 防弹片的性能测试 采用漏斗法对 SiC 粉体进行粒度分析 , 采用排水法测定素坯和烧结体的体积密度 , 采用维氏硬度计测量硬度和断裂韧性 , 采用三点弯曲法测定抗折强度 [6]。 生产工艺流程的基本步骤 无压烧结碳化硅陶瓷的制备过程主要包括： （ 1）将 10um 的 SiC 颗粒 粉磨 加工成 ； （ 2）对原料进行 化 学提纯 ，主要是去除 Si 和 SiO2； （ 3）料浆制备：同时加入添加剂； （ 4）喷雾干燥制粒： 粒度在 60 ～ 80 目之间； （ 5）用漏斗法和筛分法测定 SiC 粉体的松装密度和流动性 [6]； （ 6）成型：采用干压和冷等静压成型 方式 ； （ 7）修坯、干燥； （ 8）烧成：在 Ar 的保护下将样品放在真空烧结炉中烧结，经过 8h左右烧结，烧结后 炉内自然冷却 ； （ 9）后期处理：打磨并抛光烧结所得的 SiC 陶瓷片； （ 10）性能测试：用排水法测得体积密度，用数显维氏硬度计测硬度，用电子万能试验机测三点抗弯强度。 生产工艺流程图（图 1） 及其复合材料 已 成为材料家 族 中的新一族 图 1 生产工艺流程图 制备 SiC 粉体 原料纯化 称量原料 混合搅拌 三维混料机 取出样品 SiC 粉末 喷雾造粒，过筛，测流动性，松装密度 干压预成型 冷等静压终成型 无压烧结，测量样 品尺寸、质量 打磨、抛光，测量样品性能 测量样品尺寸、质量 第 3 章 生产技术要求 碳化硅粉体的制备要求 碳化硅粉体的制备技术就其形成原理可分为机械粉碎法和合成法 , 方法的优劣可从粒子纯度、表面的清洁度、粒子粒径、粒度分布可控性、粒子几何形状规一性、是否易于收集、粉体团聚程度、热稳定性六个方面加以评价。 通过控制所制备陶瓷粉末的颗粒度、表面状态 , 还是纯度、均匀性等指标，提高陶 瓷的烧结性能和机械性质 , 部分满足了陶瓷科学中“低” 温快速烧结高性能陶瓷的要求。 本方案要求制备出 98%的亚微米α Si[7]。 喷雾造粒的技术要求 在陶瓷材料成型烧结之前素坯的成型对制品的性能有直接影响 , 为了提高素坯的均匀性及干压成型后的密度 , 粉料的成型特性尤为重要 ,喷雾造粒技术被广泛用于制备先进陶瓷粉料 [8]。 喷雾造粒后的粉料除了需要保证一定的粒度要求以外 , 还需要 : (1) 根据各种不同的组成要求进行混料。 (2) 对成型粉料尤其用于连续自动成型的粉料要求有良好的流动性、成型性和化学 均匀性。 由于各种成分或添加剂的粒度、密度、分散性等各不相同 ,为保证混料过程中各组分之间的均匀分散 , 对混合过程的湿化学工艺和条件需要进行严格的控制。 如果采用简单的混合 烘干 过筛 造粒工艺路线 , 粉料质量将很难保证。 本次我们用喷雾造粒法制造碳化硅粉粒，在过程中要求控制好系统的温度、浆料的粘度和浆料的进给速度等，这都直接影响粒度的大小，形状及粒度分布。 以乙醇为介质，湿法球磨混合均匀，经喷雾干燥过筛处理后得到流动性在 16s18s/30g，松装密度为。 坯料的成型技术要求 ① 成形工序 的选择依据 由于不同的成形方法对坯料的工艺性能要求不同，成形应满足烧成所要求的生坯干燥强度、坯体致密度、生坯入窑水分、器形规整等性能，因此成形工序应满足下列要求： a．坯体应符合产品所要求的生坯形状和尺寸（应考虑收缩）。 b．坯体应具有相当的机械强度，以便于后续工序的操作。 c．坯体结构均匀，具有一定的致密度。 d．成型过程适合于多、快、好、省的组织生产。 ② 成形方法的选择依据 选择陶瓷成型方法最基本的依据是：产品的器型、产量和品质要求，坯料的性能及经济效益，通常具体要求考虑以下几个方面： 的形状、大小、厚薄等； ； ； ，操作强度小，操作条件好，并便于与前工序联动或自动化； ，经济效益好，劳动强度低。 ③模具装配的好坏 , 直接影响到产品质量和模具的使用寿命。 在压制成型过程中，模具和粉末之间的相互摩擦会造成模具的磨损，因此模具材料必须要求有很好的耐磨性能。 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。 ④碳化硅陶瓷防弹片 的制备采用干压 预 成型，干压成型要求粉料的流动性要好，从而更好的充实模具；粉料有一定 的颗粒级配，使达到较高的堆积密度，减少空气含量；颗粒在压力下易于粉碎，这样可以形成致密坯体；水分含量要均匀，防止坯体内出现大的应力。 干压预成型工艺参数控制： a. 成型压力的大小取决于坯体的形状、高度、粘合剂 的种类和数量、粉体的流动性、坯体的致密度等。 这次制备碳化硅陶瓷防弹片 用 16T的压力。 b. 加压方式，由于制备的陶瓷防弹片 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。 然后再采用冷等静压终成型。 c. 加压速度和保压时间对坯体性能有很大影响。 加压速度过快，保压时间过短，坯体 中气体有残留，且压力传递不到应有的深度；加 压时间过慢，保压时间过长，则降低了生产效率。 这次制备碳化硅陶瓷防弹片 保压时间为 1min。 烧结 技术要求 将颗粒状陶瓷坯体置于高温炉中，使其致密化形成强固体材料的过程，即为烧结。 烧结开始于坯料颗粒间空隙排除，使相应的相邻的粒子结合成紧密体。 但烧结过程必须具备两个基本条件： a. 应该存在物质迁移的机理； b. 必须有一种能量（热能）促进和维持物质迁移。 本次试验真空烧结时间为 8h，当烧结后，应让它在 Ar 气氛下，炉内自然冷却，目的是为防止碳化硅在高温烧结时被氧化，影响其性能。 工艺平面布置图（图 2） 图 2 工艺平面布置图 烧结室 成型室 喷雾 造粒室 精加工车间 浆料制备室 产品库 原料库 第 4 章 主要仪器设备选择 仪器设备参数及作用 系列三维混料机 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。 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 、混料均匀、效率高、减小了粉料的氧化程度、混料定时时间可任意设定、 体积小、噪音低 等特点。 其 MX 系列三维涡流混料机 的各项参数 如下表所示： 表 41 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 18L 1422r/min 1220 1140 990mm ＜ 100h LPG25 型 喷雾干燥器 其机械特点有：干燥速度快，产品性能好；减少粘壁和焦粉，提高成品质量；干燥塔 、分离室和冷却室的一体化；二次热风的利用等。 喷雾干燥机是使液态物料经过喷嘴雾化成微细的雾状液滴，在干燥塔内与热介质接触，被干燥成为粉料的热力过程。 喷雾干燥机是干燥领域发展最快、应用范围最广的一种形式，适用于 溶液 、乳浊液和可泵送的的悬浮液等液体原料生成粉状、颗粒状或块状固体产品。 其结构如图 3 所示： 图 3 典型喷雾干燥器的构造 [9] JJ 系列电子天平 JJ 系列电子天平结构坚固，操作简单，线路模式先进，产品可靠性高、抗干扰能力强 ，精度及灵敏度高，具有单位转换功能，具有数据输出接口，可在打印机进行数据打印，更可与计算机接口进行采集统计功能，因此被广范应用。 其各项参数如下表所示： 表 42 JJ300 电子天平参数 型号 最大称量 分辨率 检定分度 去皮范围 校准重量 JJ300 300g 10d 300g 200g 金属模具 本实验先称量 30g 的碳化硅粉再将其装入金属模具中，其金属 模具参数如下表所示： 表 43 金属模具的参数 设备名称 内部大小 金属模具 50 50mm THP 系列干压成型机 干压成型机主要由干压成型机手轮 、 动压轮 、 定压轮 、 摆线针轮减速机 、 电动机等。 将粉料装入金属模具中后，用压机或专用干压成型机以一定压力和压制方。