專(zhuān)利名稱(chēng):一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲及其制備方法
一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的裝甲及其制備方法，特別涉及一種金屬/陶 瓷復(fù)合材料的裝甲及其制備方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于保護(hù)性裝甲板的設(shè)計(jì)，主要有結(jié)構(gòu)可靠性、重量、成本等方面的考 慮。為提高坦克、裝甲車(chē)輛在戰(zhàn)斗環(huán)境中的生存能力，均質(zhì)鋼裝甲、陶瓷復(fù) 合裝甲和反應(yīng)裝甲等相繼出現(xiàn)。對(duì)于均質(zhì)鋼裝甲，重型裝甲由于鋼層厚、質(zhì)量重，勢(shì)必影響車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性和運(yùn)行能力；而輕型裝甲，很可能被彈頭穿透。 對(duì)于反應(yīng)裝甲， 一方面，其在工作時(shí)會(huì)對(duì)裝甲內(nèi)外的人員或設(shè)備帶來(lái)附加損 傷，并會(huì)產(chǎn)生噪聲；另一方面，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響其可靠性，成本也較高。 因此，輕質(zhì)、高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠的復(fù)合材料裝甲勢(shì)必成為未來(lái)裝甲的主要發(fā)展 方向，陶瓷復(fù)合裝甲有望成為主要裝甲之一。關(guān)于陶瓷復(fù)合裝甲，其基本單元通常也包括正面層(面板)、中間支承層和 背面層(背板)。對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性方面，對(duì)裝甲材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了 很高要求。目前，陶瓷復(fù)合裝甲用材料主要有陶瓷材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 和高分子材料,甚至金屬材料。由于各層材料性能之間的差異，這必然涉及到 異種材料界面連接的問(wèn)題。關(guān)于復(fù)合材料裝甲中使用的陶瓷材料，主要有兩種方式 一是采用陶瓷 板或塊直接用做正面層(面板)。如中國(guó)專(zhuān)利02256789.5和01809309.4(國(guó) 際申請(qǐng)?zhí)朠CT/EP01/05114)，德國(guó)專(zhuān)利DE-A-3937087，國(guó)際專(zhuān)利W096/29561 所公開(kāi)的陶瓷裝甲材料，這樣直接面對(duì)飛彈的沖擊很可能會(huì)產(chǎn)生損壞，甚至 碎裂；另一種是采用陶瓷球、陶瓷片、陶瓷團(tuán)粒等陶瓷單元，通過(guò)有機(jī)膠或
固化劑與樹(shù)脂或金屬直接粘接成型，如中國(guó)專(zhuān)利200610097271.9、 20051086629.3禾卩98810696.5(國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/IL98/00153);該類(lèi)復(fù)合裝甲，由于陶瓷單元與高分子或金屬材料之間直接粘接，結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)可靠性 較差。美國(guó)專(zhuān)利3705558提出了一種通過(guò)澆注熔融金屬以嵌住陶瓷單元，待 金屬凝固后形成復(fù)合裝甲的方法，但由于澆注金屬過(guò)程中會(huì)破壞要求緊密的 陶瓷團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，故而該方法難于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于重量方面，由于陶瓷材料因其具有耐磨、耐熱、抗壓、高剛度、化學(xué)性能穩(wěn)定，特別是重量比鋼輕(如B4C和Al203陶瓷等)的優(yōu)良特性，有逐漸取代合金鋼等金屬材料的趨向。然而，由于陶瓷材料的脆性，導(dǎo)致耐沖擊能 力較差，對(duì)飛彈的沖擊很可能產(chǎn)生損壞，甚至碎裂。因此提高陶瓷/金屬?gòu)?fù)合 裝甲中陶瓷材料部位的防彈性能，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所需要解決的重點(diǎn)難點(diǎn) 問(wèn)題。對(duì)于成本方面，材料便宜容易獲得，制備工藝簡(jiǎn)單可行是我們所追求 的目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于復(fù)合材料裝甲在結(jié)構(gòu)可靠性、重量、成本等方面的考慮，提 供一種以金屬材料有序絎架為骨架，氧化鋁陶瓷材料為芯部的金屬/陶瓷復(fù)合 材料的裝甲及其制備方法，可克服金屬/陶瓷之間膠接、平面連接等弱結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)了金屬/陶瓷界面高強(qiáng)結(jié)合，所制備的夾層互穿型金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲 具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐沖擊等性能，可適用于坦克、裝甲車(chē)輛等防彈復(fù)合裝甲 板和裝甲面板。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲，其特征在于，包括金屬骨架、陶瓷芯板， 所述的陶瓷芯板設(shè)置有貫穿陶瓷芯板厚度的有序排列的孔道，陶瓷芯板所有 面上設(shè)有燒結(jié)金屬化層，所述的金屬骨架通過(guò)燒結(jié)金屬化層與陶瓷芯板結(jié)合 形成夾層互穿型結(jié)構(gòu)，金屬骨架通過(guò)陶瓷芯板上的孔道形成有序絎架。
上述方案中，所述的燒結(jié)金屬化層上還可設(shè)置有二次金屬化層，所述的金屬骨架通過(guò)二次金屬化層與陶瓷芯板結(jié)合形成夾層互穿型結(jié)構(gòu)；所述的陶 瓷芯板為氧化鋁陶瓷芯板。上述金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的制備方法，包括下述步驟(1) 制備有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、預(yù)燒結(jié)、孔加工以及終燒 結(jié)工序；(2) 陶瓷芯板的燒結(jié)金屬化，將終燒結(jié)好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo -Mn金屬膏，待干燥后，置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行金屬化燒結(jié)，在陶瓷芯板表面 形成金屬化層；(3) 澆注金屬或真空加熱處理，澆注金屬先將陶瓷芯板置于模具中并預(yù) 熱，將金屬材料加熱成熔融狀態(tài)，加熱溫度至少高于金屬材料熔點(diǎn)20(TC， 保溫15 60min，然后注入置有陶瓷芯板的模具中；或者將熔融金屬先澆注 入空模具中，再將預(yù)熱好的陶瓷芯板浸入模具內(nèi)熔融金屬中，然后一并置于 空氣爐中于上述熔融金屬的加熱溫度下保溫處理15 60min，使熔融金屬完 全進(jìn)入陶瓷孔內(nèi)并與陶瓷各表面金屬化層結(jié)合，并排除熔融金屬中空氣，最 后緩慢冷卻，取出、脫模；真空加熱處理將金屬粉末或塊體放入內(nèi)置陶瓷芯板的模具中，再一并 置于真空爐內(nèi)加熱至金屬材料融融，加熱溫度高于金屬材料熔點(diǎn)10(TC，保 溫15 60min小時(shí)，最后緩慢冷卻，取出、脫模。上述方法中，所述的在燒結(jié)金屬化后最好再采用電鍍或化學(xué)鍍工藝進(jìn)行 二次金屬化；所述的陶瓷芯板優(yōu)選采用A1203含量75 99wf/。氧化鋁陶瓷芯 板。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于-1.將陶瓷做成有序排列孔道的陶瓷芯板，通過(guò)澆注金屬工藝或真空加熱 處理，即陶瓷/金屬界面的聯(lián)接采用無(wú)壓釬焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的冶金結(jié) 合，能夠更好地發(fā)揮陶瓷硬度高、抗侵徹能力強(qiáng)以及金屬塑韌性好、吸能特 點(diǎn)；所制成的夾層互穿型金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲形成整體結(jié)構(gòu)，可靠性?xún)?yōu)良。
2.陶瓷與金屬在結(jié)構(gòu)上形成互相貫穿的夾層板，陶瓷芯板置于中間層， 在承受飛彈的沖擊時(shí)，可免于直接面對(duì)，陶瓷與金屬共同承載、不易剝離， 耐沖擊性能好。2. 采用密度較小的氧化鋁陶瓷和鑄造鋁合金材料，具有質(zhì)輕、耐用的 特點(diǎn)，特別適于制作單兵防彈板及輕質(zhì)裝甲。3. 制造成本低廉， 一方面，所用材價(jià)格低廉，另一方面，采用成熟的 Mo-Mn金屬化和電鍍或化學(xué)鍍工藝，以及低熔點(diǎn)金屬材料澆注技術(shù)，制備工 藝簡(jiǎn)單，可制造出各種尺寸規(guī)格防彈板，并適于規(guī)?；a(chǎn)。


圖l為本發(fā)明金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的結(jié)構(gòu)圖。其中，圖l (a)為陶瓷 芯板示意圖；圖1 (b)為澆鑄好的復(fù)合材料裝甲示意圖；圖1 (c)為圖1 (b) 中截面A的示意圖。圖中1、金屬骨架；2、 二次金屬化層；3、燒結(jié)金屬 化層；4、陶瓷芯板；5、孔道。圖2為圖1金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的具體制備工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 如圖1所示， 一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲，包括金屬骨架l、陶瓷芯 板4，所述的陶瓷芯板4設(shè)置有貫穿陶瓷芯板4厚度的有序排列的孔道5，孔 道5的直徑為5 10mm，孔間距為10 20mm，并倒角。陶瓷芯板4所有面 上設(shè)有燒結(jié)金屬化層3，燒結(jié)金屬化層3上設(shè)置有二次金屬化層2;金屬骨架 1通過(guò)二次金屬化層2與陶瓷芯板4結(jié)合形成夾層互穿型結(jié)構(gòu)，金屬骨架1 通過(guò)陶瓷芯板4上的孔道5形成有序絎架，陶瓷芯板4為A1203含量是 75 99wt。/。的氧化鋁陶瓷芯板。
如圖2所示，本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的制備方法，其 步驟包括制備有序排列孔道的陶瓷芯板4、燒結(jié)金屬化、二次金屬化和澆注 金屬或真空加熱處理。實(shí)施例l一、 有序排列孔道陶瓷芯板4的制備(l)陶瓷成型采用模壓成型工藝。將滾混球磨(加無(wú)水乙醇，球磨36h)、造粒(造粒用膠含10%聚乙烯醇溶液)和過(guò)篩(200目)好的含95wt% A1203、 2.5wt。/。Si02和2.5wt。/。MgO的氧化鋁陶瓷粉體，置于60*60mm的金 屬模具中，加載壓力為5 10MPa,保壓15 30秒，成型后陶瓷坯體厚度為7 8mm。成型后陶瓷坯體的排膠工藝采用緩慢升溫至45(TC，保溫2h，并緩慢 冷卻。本發(fā)明成型工藝不局限于模壓成型，也可采用熱壓鑄、注槳、冷等靜 壓等。(2) 預(yù)燒結(jié)將排膠后的氧化鋁陶瓷坯體，在空氣爐中于1000 1200°C 進(jìn)行預(yù)燒結(jié)0.5 2h。本實(shí)施例與燒結(jié)溫度為IIOO'C,保溫lh。(3) 孔加工采用普通鉆床，將預(yù)燒結(jié)好的氧化鋁陶瓷板加工成孔徑為 ct>=6mm，孔間距d-12mm的多孔道5的陶瓷板，所有孔必須貫穿陶瓷板，并 倒角。(4) 終燒結(jié)將加工好孔道5的陶瓷板置于空氣爐內(nèi)于1500 170(TC下 進(jìn)行終燒結(jié)1.5 2.5h制得陶瓷芯板4。本實(shí)施例燒結(jié)溫度為1550°C，保溫 2h。二、 燒結(jié)金屬化將終燒結(jié)好的陶瓷芯板4兩端面磨平、清洗(依次經(jīng)過(guò) 稀堿煮洗，水沖洗，丙酮超聲清洗)、烘干后，在其所有面(包括上下表面、側(cè) 面和孔內(nèi)表面)涂敷用膠棉溶液和草酸乙二酯調(diào)好的Mo-Mn金屬膏，金屬膏 配方為70wt°/。Mo、 12wt%MnO、 10.5wt°/。Al2O3和7.5wt%Si02，待烘干或風(fēng) 干后，置于保護(hù)氣氛(H2 、 N2+H2、 N2 、 Ar中一種)爐中進(jìn)行燒結(jié)金屬化，
燒結(jié)溫度為1350 1550°C，保溫40 60min，在陶瓷芯板4表面形成燒結(jié)金 屬化層1。本實(shí)施例的燒結(jié)金屬化工藝參數(shù)是在H2爐中1500°C，保溫60min。三、 二次金屬化對(duì)燒結(jié)金屬化好的陶瓷芯板4在蒸餾水中煮洗5分鐘 后，在瓦特溶液中電鍍鎳，鎳層厚度為5 12nm，再置于真空氣氛中IOO(TC， 保溫lh進(jìn)行燒鎳處理，在陶瓷芯板4表面形成二次金屬化層2。四、 澆注金屬先將鑄造鋁合金加熱至85(TC，保溫30min使其成熔融 狀態(tài)，再澆注入60(TC預(yù)熱好的內(nèi)置墊高的陶瓷芯板4的模具中；或者將熔 融鋁合金先澆注入空模具中，再將600。C預(yù)熱好的陶瓷芯板4浸入模具內(nèi)熔 融鋁合金中，然后一并置于空氣爐中85(TC保溫20min，使熔融金屬完全進(jìn)入 陶瓷孔內(nèi)并與陶瓷各表面優(yōu)良結(jié)合，并排除熔融金屬中空氣，形成金屬骨架 1，最后隨爐冷，取出、脫模。此時(shí)陶瓷芯板澆注金屬上下面厚度分別為6mm 和10mm，再對(duì)其兩面金屬進(jìn)行機(jī)械加工成上下厚度各5mm。實(shí)施例2本實(shí)施例的工藝步驟一、二、三同實(shí)施例l，工藝步驟四采用真空加熱處理將鑄造鋁合金屬粉末或塊體放入內(nèi)置墊高的陶瓷芯板4的模具中，再一并置于真空爐內(nèi)一起加熱至80(TC，保溫40min，最后緩慢冷卻，取出、 脫模。此時(shí)陶瓷芯板4澆注金屬上下面厚度分別為10mm和20mm，再對(duì)其 兩面金屬進(jìn)行機(jī)械加工成上下厚度各8mm。
權(quán)利要求
1.一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲，其特征在于，包括金屬骨架、陶瓷芯板，所述的陶瓷芯板設(shè)置有貫穿陶瓷芯板厚度的有序排列的孔道，陶瓷芯板所有面上設(shè)有燒結(jié)金屬化層，所述的金屬骨架通過(guò)燒結(jié)金屬化層與陶瓷芯板結(jié)合形成夾層互穿型結(jié)構(gòu)，金屬骨架通過(guò)陶瓷芯板上的孔道形成有序絎架。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲，其特征在于，所述 的燒結(jié)金屬化層上還設(shè)置有二次金屬化層，所述的金屬骨架通過(guò)二次金屬化 層與陶瓷芯板結(jié)合形成夾層互穿型結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
l或2所述的金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲，其特征在于， 所述的陶瓷芯板為氧化鋁陶瓷芯板。
4. 一種權(quán)利要求
1所述的金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的制備方法，包括下述 步驟(1) 制備有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、預(yù)燒結(jié)、孔加工以及終燒 結(jié)工序；(2) 陶瓷芯板的燒結(jié)金屬化，將終燒結(jié)好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo -Mn金屬膏，待干燥后，置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行金屬化燒結(jié)，在陶瓷芯板表面 形成金屬化層；(3) 澆注金屬或真空加熱處理，澆注金屬先將陶瓷芯板置于模具中并預(yù) 熱，將金屬材料加熱成熔融狀態(tài)，加熱溫度至少高于金屬材料熔點(diǎn)200'C， 保溫15 60min，然后注入置有陶瓷芯板的模具中；或者將熔融金屬先澆注 入空模具中，再將預(yù)熱好的陶瓷芯板浸入模具內(nèi)熔融金屬中，然后一并置于 空氣爐中于上述熔融金屬的加熱溫度下保溫處理15 60min，使熔融金屬完 全進(jìn)入陶瓷孔內(nèi)并與陶瓷各表面金屬化層結(jié)合，并排除熔融金屬中空氣，最 后緩慢冷卻，取出、脫模；真空加熱處理將金屬粉末或塊體放入內(nèi)置陶瓷芯板的模具中，再一并 置于真空爐內(nèi)加熱至金屬材料融融，加熱溫度高于金屬材料熔點(diǎn)IO(TC，保 溫15 60min小時(shí)，最后緩慢冷卻，取出、脫模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
4所述的金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的制備方法，其特征在 于，所述的在步驟(2)燒結(jié)金屬化后再采用電鍍或化學(xué)鍍工藝進(jìn)行二次金屬 化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲的制備方法，其特 征在于，所述的陶瓷芯板為A1203含量是75 99wt。/。的氧化鋁陶瓷芯板。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以金屬材料有序絎架為骨架，氧化鋁陶瓷材料為芯部的金屬/陶瓷復(fù)合材料的裝甲及其制備方法，包括下述步驟(1)制備有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、預(yù)燒結(jié)、孔加工以及終燒結(jié)工序；(2)陶瓷芯板的燒結(jié)金屬化，將終燒結(jié)好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo-Mn金屬膏，待干燥后，置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行金屬化燒結(jié)；(3)澆注金屬或真空加熱處理，將金屬材料加熱成熔融狀態(tài)，注入置有陶瓷芯板的模具中保溫處理，最后緩慢冷卻后脫模。本發(fā)明可克服金屬/陶瓷之間鉸接、平面連接等弱結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了金屬/陶瓷界面高強(qiáng)結(jié)合，所制備的夾層互穿型金屬/陶瓷復(fù)合材料裝甲具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐沖擊等性能，可適用于坦克、裝甲車(chē)輛等防彈復(fù)合裝甲板和裝甲面板。
文檔編號(hào)F41H5/04GKCN101158564SQ200710018553
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年8月28日
發(fā)明者喬冠軍, 劉桂武, 盧天健, 楊建鋒, 王紅潔, 王繼平, 金志浩, 高積強(qiáng) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan