CN101158564A - 一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法 - Google Patents

一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以金属材料有序绗架为骨架，氧化铝陶瓷材料为芯部的金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法，包括下述步骤：(1)制备有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、预烧结、孔加工以及终烧结工序；(2)陶瓷芯板的烧结金属化，将终烧结好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo－Mn金属膏，待干燥后，置于保护气氛中进行金属化烧结；(3)浇注金属或真空加热处理，将金属材料加热成熔融状态，注入置有陶瓷芯板的模具中保温处理，最后缓慢冷却后脱模。本发明可克服金属/陶瓷之间铰接、平面连接等弱结合，实现了金属/陶瓷界面高强结合，所制备的夹层互穿型金属/陶瓷复合材料装甲具有轻质、高强、耐冲击等性能，可适用于坦克、装甲车辆等防弹复合装甲板和装甲面板。

Description

一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的装甲及其制备方法，特别涉及一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法。
背景技术
关于保护性装甲板的设计，主要有结构可靠性、重量、成本等方面的考虑。为提高坦克、装甲车辆在战斗环境中的生存能力，均质钢装甲、陶瓷复合装甲和反应装甲等相继出现。对于均质钢装甲，重型装甲由于钢层厚、质量重，势必影响车辆的机动性和运行能力；而轻型装甲，很可能被弹头穿透。对于反应装甲，一方面，其在工作时会对装甲内外的人员或设备带来附加损伤，并会产生噪声；另一方面，其结构较复杂，影响其可靠性，成本也较高。因此，轻质、高强、结构可靠的复合材料装甲势必成为未来装甲的主要发展方向，陶瓷复合装甲有望成为主要装甲之一。
关于陶瓷复合装甲，其基本单元通常也包括正面层(面板)、中间支承层和背面层(背板)。对于结构可靠性方面，对装甲材料性能和结构设计方面提出了很高要求。目前，陶瓷复合装甲用材料主要有陶瓷材料、纤维增强复合材料和高分子材料，甚至金属材料。由于各层材料性能之间的差异，这必然涉及到异种材料界面连接的问题。
关于复合材料装甲中使用的陶瓷材料，主要有两种方式：一是采用陶瓷板或块直接用做正面层(面板)。如中国专利02256789.5和01809309.4(国际申请号：PCT/EP01/05114)，德国专利DE-A-3937087，国际专利WO96/29561所公开的陶瓷装甲材料，这样直接面对飞弹的冲击很可能会产生损坏，甚至碎裂；另一种是采用陶瓷球、陶瓷片、陶瓷团粒等陶瓷单元，通过有机胶或固化剂与树脂或金属直接粘接成型，如中国专利200610097271.9、20051086629.3和98810696.5(国际申请号：PCT/IL98/00153)；该类复合装甲，由于陶瓷单元与高分子或金属材料之间直接粘接，结构联结可靠性较差。美国专利3705558提出了一种通过浇注熔融金属以嵌住陶瓷单元，待金属凝固后形成复合装甲的方法，但由于浇注金属过程中会破坏要求紧密的陶瓷团粒结构，故而该方法难于实现。
对于重量方面，由于陶瓷材料因其具有耐磨、耐热、抗压、高刚度、化学性能稳定，特别是重量比钢轻(如-B4C和Al2O3陶瓷等)的优良特性，有逐渐取代合金钢等金属材料的趋向。然而，由于陶瓷材料的脆性，导致耐冲击能力较差，对飞弹的冲击很可能产生损坏，甚至碎裂。因此提高陶瓷/金属复合装甲中陶瓷材料部位的防弹性能，是本领域技术人员所需要解决的重点难点问题。对于成本方面，材料便宜容易获得，制备工艺简单可行是我们所追求的目标。
发明内容
本发明基于复合材料装甲在结构可靠性、重量、成本等方面的考虑，提供一种以金属材料有序绗架为骨架，氧化铝陶瓷材料为芯部的金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法，可克服金属/陶瓷之间胶接、平面连接等弱结合，实现了金属/陶瓷界面高强结合，所制备的夹层互穿型金属/陶瓷复合材料装甲具有轻质、高强、耐冲击等性能，可适用于坦克、装甲车辆等防弹复合装甲板和装甲面板。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种金属/陶瓷复合材料的装甲，其特征在于，包括金属骨架、陶瓷芯板，所述的陶瓷芯板设置有贯穿陶瓷芯板厚度的有序排列的孔道，陶瓷芯板所有面上设有烧结金属化层，所述的金属骨架通过烧结金属化层与陶瓷芯板结合形成夹层互穿型结构，金属骨架通过陶瓷芯板上的孔道形成有序绗架。
上述方案中，所述的烧结金属化层上还可设置有二次金属化层，所述的金属骨架通过二次金属化层与陶瓷芯板结合形成夹层互穿型结构；所述的陶瓷芯板为氧化铝陶瓷芯板。
上述金属/陶瓷复合材料装甲的制备方法，包括下述步骤：
(1)制备有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、预烧结、孔加工以及终烧结工序；
(2)陶瓷芯板的烧结金属化，将终烧结好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo-Mn金属膏，待干燥后，置于保护气氛中进行金属化烧结，在陶瓷芯板表面形成金属化层；
(3)浇注金属或真空加热处理，浇注金属：先将陶瓷芯板置于模具中并预热，将金属材料加热成熔融状态，加热温度至少高于金属材料熔点200℃，保温15～60min，然后注入置有陶瓷芯板的模具中；或者将熔融金属先浇注入空模具中，再将预热好的陶瓷芯板浸入模具内熔融金属中，然后一并置于空气炉中于上述熔融金属的加热温度下保温处理15～60min，使熔融金属完全进入陶瓷孔内并与陶瓷各表面金属化层结合，并排除熔融金属中空气，最后缓慢冷却，取出、脱模；
真空加热处理：将金属粉末或块体放入内置陶瓷芯板的模具中，再一并置于真空炉内加热至金属材料融融，加热温度高于金属材料熔点100℃，保温15～60min小时，最后缓慢冷却，取出、脱模。
上述方法中，所述的在烧结金属化后最好再采用电镀或化学镀工艺进行二次金属化；所述的陶瓷芯板优选采用Al2O3含量75～99wt％氧化铝陶瓷芯板。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.将陶瓷做成有序排列孔道的陶瓷芯板，通过浇注金属工艺或真空加热处理，即陶瓷/金属界面的联接采用无压钎焊技术，实现陶瓷与金属的冶金结合，能够更好地发挥陶瓷硬度高、抗侵彻能力强以及金属塑韧性好、吸能特点；所制成的夹层互穿型金属/陶瓷复合材料装甲形成整体结构，可靠性优良。
2.陶瓷与金属在结构上形成互相贯穿的夹层板，陶瓷芯板置于中间层，在承受飞弹的冲击时，可免于直接面对，陶瓷与金属共同承载、不易剥离，耐冲击性能好。
2.采用密度较小的氧化铝陶瓷和铸造铝合金材料，具有质轻、耐用的特点，特别适于制作单兵防弹板及轻质装甲。
3.制造成本低廉，一方面，所用材价格低廉，另一方面，采用成熟的Mo-Mn金属化和电镀或化学镀工艺，以及低熔点金属材料浇注技术，制备工艺简单，可制造出各种尺寸规格防弹板，并适于规模化生产。
附图说明
图1为本发明金属/陶瓷复合材料装甲的结构图。其中，图1(a)为陶瓷芯板示意图；图1(b)为浇铸好的复合材料装甲示意图；图1(c)为图1(b)中截面A的示意图。图中：1、金属骨架；2、二次金属化层；3、烧结金属化层；4、陶瓷芯板；5、孔道。
图2为图1金属/陶瓷复合材料装甲的具体制备工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种金属/陶瓷复合材料的装甲，包括金属骨架1、陶瓷芯板4，所述的陶瓷芯板4设置有贯穿陶瓷芯板4厚度的有序排列的孔道5，孔道5的直径为5～10mm，孔间距为10～20mm，并倒角。陶瓷芯板4所有面上设有烧结金属化层3，烧结金属化层3上设置有二次金属化层2；金属骨架1通过二次金属化层2与陶瓷芯板4结合形成夹层互穿型结构，金属骨架1通过陶瓷芯板4上的孔道5形成有序绗架，陶瓷芯板4为Al2O3含量是75～99wt％的氧化铝陶瓷芯板。
如图2所示，本发明上述结构的金属/陶瓷复合材料装甲的制备方法，其步骤包括制备有序排列孔道的陶瓷芯板4、烧结金属化、二次金属化和浇注金属或真空加热处理。
实施例1
一、有序排列孔道陶瓷芯板4的制备：
(1)陶瓷成型：采用模压成型工艺。将滚混球磨(加无水乙醇，球磨36h)、造粒(造粒用胶含10％聚乙烯醇溶液)和过筛(200目)好的含95wt％Al2O3、2.5wt％SiO2和2.5wt％MgO的氧化铝陶瓷粉体，置于60*60mm的金属模具中，加载压力为5～10MPa，保压15～30秒，成型后陶瓷坯体厚度为7～8mm。成型后陶瓷坯体的排胶工艺采用缓慢升温至450℃，保温2h，并缓慢冷却。本发明成型工艺不局限于模压成型，也可采用热压铸、注浆、冷等静压等。
(2)预烧结：将排胶后的氧化铝陶瓷坯体，在空气炉中于1000～1200℃进行预烧结0.5～2h。本实施例与烧结温度为1100℃，保温1h。
(3)孔加工：采用普通钻床，将预烧结好的氧化铝陶瓷板加工成孔径为φ＝6mm，孔间距d＝12mm的多孔道5的陶瓷板，所有孔必须贯穿陶瓷板，并倒角。
(4)终烧结：将加工好孔道5的陶瓷板置于空气炉内于1500～1700℃下进行终烧结1.5～2.5h制得陶瓷芯板4。本实施例烧结温度为1550℃，保温2h。
二、烧结金属化：将终烧结好的陶瓷芯板4两端面磨平、清洗(依次经过稀碱煮洗，水冲洗，丙酮超声清洗)、烘干后，在其所有面(包括上下表面、侧面和孔内表面)涂敷用胶棉溶液和草酸乙二酯调好的Mo-Mn金属膏，金属膏配方为70wt％Mo、12wt％MnO、10.5wt％Al2O3和7.5wt％SiO2，待烘干或风干后，置于保护气氛(H2、N2+H2、N2、Ar中一种)炉中进行烧结金属化，烧结温度为1350～1550℃，保温40～60min，在陶瓷芯板4表面形成烧结金属化层1。本实施例的烧结金属化工艺参数是在H2炉中1500℃，保温60min。
三、二次金属化：对烧结金属化好的陶瓷芯板4在蒸馏水中煮洗5分钟后，在瓦特溶液中电镀镍，镍层厚度为5～12μm，再置于真空气氛中1000℃，保温1h进行烧镍处理，在陶瓷芯板4表面形成二次金属化层2。
四、浇注金属：先将铸造铝合金加热至850℃，保温30min使其成熔融状态，再浇注入600℃预热好的内置垫高的陶瓷芯板4的模具中；或者将熔融铝合金先浇注入空模具中，再将600℃预热好的陶瓷芯板4浸入模具内熔融铝合金中，然后一并置于空气炉中850℃保温20min，使熔融金属完全进入陶瓷孔内并与陶瓷各表面优良结合，并排除熔融金属中空气，形成金属骨架1，最后随炉冷，取出、脱模。此时陶瓷芯板浇注金属上下面厚度分别为6mm和10mm，再对其两面金属进行机械加工成上下厚度各5mm。
实施例2
本实施例的工艺步骤一、二、三同实施例1，工艺步骤四采用真空加热处理：将铸造铝合金属粉末或块体放入内置垫高的陶瓷芯板4的模具中，再一并置于真空炉内一起加热至800℃，保温40min，最后缓慢冷却，取出、脱模。此时陶瓷芯板4浇注金属上下面厚度分别为10mm和20mm，再对其两面金属进行机械加工成上下厚度各8mm。

Claims (6)

1.一种金属/陶瓷复合材料的装甲，其特征在于，包括金属骨架、陶瓷芯板，所述的陶瓷芯板设置有贯穿陶瓷芯板厚度的有序排列的孔道，陶瓷芯板所有面上设有烧结金属化层，所述的金属骨架通过烧结金属化层与陶瓷芯板结合形成夹层互穿型结构，金属骨架通过陶瓷芯板上的孔道形成有序绗架。
2.根据权利要求1所述的金属/陶瓷复合材料的装甲，其特征在于，所述的烧结金属化层上还设置有二次金属化层，所述的金属骨架通过二次金属化层与陶瓷芯板结合形成夹层互穿型结构。
3.根据权利要求1或2所述的金属/陶瓷复合材料的装甲，其特征在于，所述的陶瓷芯板为氧化铝陶瓷芯板。
4.一种权利要求1所述的金属/陶瓷复合材料装甲的制备方法，包括下述步骤：
(1)制备有序排列孔道的陶瓷芯板，包括成型、预烧结、孔加工以及终烧结工序；
(2)陶瓷芯板的烧结金属化，将终烧结好的陶瓷芯板在其所有面涂敷Mo-Mn金属膏，待干燥后，置于保护气氛中进行金属化烧结，在陶瓷芯板表面形成金属化层；
(3)浇注金属或真空加热处理，浇注金属：先将陶瓷芯板置于模具中并预热，将金属材料加热成熔融状态，加热温度至少高于金属材料熔点200℃，保温15～60min，然后注入置有陶瓷芯板的模具中；或者将熔融金属先浇注入空模具中，再将预热好的陶瓷芯板浸入模具内熔融金属中，然后一并置于空气炉中于上述熔融金属的加热温度下保温处理15～60min，使熔融金属完全进入陶瓷孔内并与陶瓷各表面金属化层结合，并排除熔融金属中空气，最后缓慢冷却，取出、脱模；
真空加热处理：将金属粉末或块体放入内置陶瓷芯板的模具中，再一并置于真空炉内加热至金属材料融融，加热温度高于金属材料熔点100℃，保温15～60min小时，最后缓慢冷却，取出、脱模。
5.根据权利要求4所述的金属/陶瓷复合材料装甲的制备方法，其特征在于，所述的在步骤(2)烧结金属化后再采用电镀或化学镀工艺进行二次金属化。
6.根据权利要求4或5所述的金属/陶瓷复合材料装甲的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷芯板为Al2O3含量是75～99wt％的氧化铝陶瓷芯板。
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