CN102741646A - 防御性的陶瓷基贴花装甲，提供抗射弹的装甲保护的装置，和生产具有中空几何形状的陶瓷基射弹装甲的方法 - Google Patents

防御性的陶瓷基贴花装甲，提供抗射弹的装甲保护的装置，和生产具有中空几何形状的陶瓷基射弹装甲的方法 Download PDF

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Abstract

形成用于覆盖和保护基底的防御性、陶瓷基贴花装甲的装置与方法，它可能暴露于射弹的攻击下，该贴花装甲具有由陶瓷材料形成且具有第一表面和第二表面的平坦或弯曲的装甲板；其中陶瓷材料由具有碳纤维的碳化硅(C/SiC)形成；和陶瓷材料在至少一个所述表面上具有多个孔；该孔的直径小于预期的子弹或者弹药射弹；和相对于至少一个表面倾斜设置该孔；于是该装置与方法提供通过压机模塑，镗孔(boring)，钻孔(drilling)或其结合形成的孔。

Description

防御性的陶瓷基贴花装甲,提供抗射弹的装甲保护的装置,和生产具有中空几何形状的陶瓷基射弹装甲的方法
技术领域
本发明的方法尤其涉及生产陶瓷复合材料的方法，所述陶瓷复合材料用碳纤维增强且具有凹处和中空空间，并且通过用硅金属渗透，以便与至少一部分碳反应，在具有碳纤维且具有含SiC或含-碳和-SiC的基体的复合材料C/SiC或C/C-Sic材料)内形成碳化硅(SiC)。尤其在装甲面板，刹车盘，离合器盘和摩擦盘中使用这些复合材料，并且还用作耐高温、振动和磨蚀的建筑材料。正如US 2003/0118757中所示。
根据例如德国公布的申请DE 197 10 105A，生产C/SiC组分的方法是已知的，且尤其包括下述步骤：
制备可用涂料和填料和/或粘合剂，例如树脂和/沥青涂布的含碳纤维或纤维束的压机模塑配混料(compound)，在压力下和在升高的温度下成型该混合物，和碳化含碳纤维与粘合剂，生产成型体，尤其含用碳纤维增强的碳(C/C)的成型体，和视需要，随后石墨化。
特别地，该发明涉及生产多孔纤维-增强的含碳成型体的方法，所述成型体具有凹形或中空的空间且接近于最终的形状，尤其纤维增强的C/C体("CFC"或"CFRC"=碳纤维增强的碳)，其中通过压机工序，使用加压核，由含粘合剂的纤维组合物成型所述成型体，并在随后的热处理中，将其转化成C/C，和此外，视需要，致密化多孔纤维增强的含碳成型体，尤其通过用液体金属渗透C/C体，形成陶瓷基体，视需要随后热处理，以便基体包括金属和可能地具有残留的未反应碳的通过与碳反应形成的金属碳化物。已发现使用纤维增强的陶瓷作为刹车盘应用的材料是这些问题的解决方法。已发现，尤其基于用碳纤维增强的碳化硅的材料(C/SiC)可用于这一应用。这一材料的优点是较低密度(因此对于给定体积来说，降低的重量)，高硬度和最多约1400℃的耐热性，和最起码，极高的耐磨性。正如US 2003/0118757中所示。
该发明涉及防御性装甲，用以防止可能暴露的基底受到射弹的攻击。通过使用本发明受到防护的基底尤其是陆地车辆(即，坦克，卡车，个人运输车辆)，飞行器(即，飞机，直升机)，建筑结构，例如建筑物，庇护所，设备的外壳和海洋车辆(即，轮船，潜艇)。正如US 5,007,326中所示。
更特别地，该发明涉及将待放置的单个或多个板状装甲面板放置在免受射弹攻击的基底上。内有孔的所述面板以一定的倾斜度设定。进一步包括一体化安装，所述一体化安装可具有对总的应用做出贡献的结构机械性能。这可导致重量减少，部件数量减少和系统成本降低。正如美国专利No.5,007,326中所示，使用常规的多板方法，可调节材料的几何形状和在装甲元件之间的间距，诱导弹道射弹破裂并绕进入的速度向量旋转。例如，一个概念涉及在装甲元件结构内放置多个孔。考虑到元件之间的合适间距，较大的可能性是，进入的射弹将冲击主要或第一元件的孔边缘，引起它旋转，之后冲击辅助或后备装甲元件。这一方法要求坚固的主要元件，以便开始旋转，且在第二次冲击之前，在主要和辅助元件之间的充足的空气空间能使射弹充分地旋转。尽管作为一个系统是有效的，但难以降低主要元件的重量(同时保持性能)，和在主要元件和辅助元件之间需要大的空气空间。正如美国专利申请公布US 2006/0162537A1中所示，较轻的陶瓷和改进的基底性能允许生产面密度下降的元件，结果可生产较轻的装甲，对给定的威胁提供保护。然而，在过去20年来，击败AP威胁所要求的面密度下降充其量是增加的。新材料导致装甲重量(即面密度)小的改进。为了协助降低装甲，其中包括被个体穿戴的装甲的重量，要求显著降低面密度-比迄今为止获得的那些大得多。参见美国专利申请公布No.US 2006/0162537A1。
本领域公知的一类具体的装甲一般地称为P900装甲。P900装甲是指一组贴花装甲，它由处于层叠结构且彼此隔开的预定厚度的两块金属板组成(参见图1，它示出了现有技术的P900装甲)。所述的两板装甲进一步被远离待保护的基底的预定距离隔开。所述两块金属板具有各种设计的孔。这些孔以垂直的方式穿孔或者钻孔通过装甲板。排列在两个装甲板内的孔，以便当射弹穿透P900板时，射弹因在射弹上产生的不对称负载导致破裂。离基底的间距进一步扩大了射弹的崩溃，结果允许射弹效果更加容易地被吸收并被基底耐受。正如US5,007,326中所示。
以前仅仅由退火的熟钢板制造公知的现有技术的P900装甲。机械地穿孔或钻孔所述板，形成孔，随后弄直，热处理并切割成所需的形状和尺寸。制造P900装甲的这一现有技术的方法带来许多缺点。例如，使用穿孔或钻孔技术受到钢板厚度和待穿孔或钻孔的孔设计的限制。而且，穿孔或钻孔技术产生过量的废钢板(约60%)。穿孔或钻孔技术进一步在装甲板上产生尖锐的边缘，这使得它们难以处理。正如美国专利No.5,007,326中所示。
美国专利No.3,765,299和美国专利No.4,036,104(both issuedto均授予Pagano等人)建议在贴花装甲结构中使用多个成角的狭槽或换气孔(louver)。这些专利教导了本领域中通常称为“有棱纹的贴花(ribbed applique)”的设计。然而，这些专利无一建议本发明的结构，也没有建议制造本发明主题的方法。
美国专利No.2,380,393(授予Berg)中教导了施加装甲到基底上的概念，其中在它们之间存在平衡(stand-off)距离。
常规的生产方法还包括其中借助液相或气相，用碳前体，亦即在不存在氧化介质的情况下加热时形成碳的物质，或者借助碳，致密化C/C体，或者通过气相渗透(CVD，化学气相沉积，或CVI，化学气相渗透)或者通过热解含Si的预陶瓷聚合物，生产主要含SiC，Si和C的基体。
当今金属刹车盘频繁地具有空气经其在圆盘内流动的通风狭缝或者通道，以便降低圆盘的温度并降低高应力下摩擦衬里的磨蚀。这种通风通道也用于基于C/SiC的刹车盘，尤其降低温度，以便节省刹车衬里和系统中的进一步的组分。
根据EP-B 0 788 468，生产具有通风通道、中空空间和凹处的C/C—SiC材料的摩擦单元的一种方法是已知的，其中用液体硅渗透接近于最终形状的结构化的多孔碳体。这一方法利用下述事实：在实质上没有改变C/C中间体的几何形状的情况下，发生液体硅渗透并形成富含Si-和SiC-的复合基体，结果可在相对软且可容易切削的C/C中间体内和不仅在非常硬质的C/C—SiC复合陶瓷内产生中空的空间和凹处。特别地建议可通过含聚苯乙烯泡沫，例如
Figure BDA00001958612400041
或其他硬质泡沫的可溶芯，通过含聚乙烯醇的可热解芯，或者通过含橡胶、金属或陶瓷的可除去芯，形成中空空间和凹处。
发现对于压机模塑来说，在热固化所使用的压机模塑配混料的情况下，此处提出的作为芯材料的聚合物太软且热不稳定。用溶剂处理除去芯牵涉破坏通常仍然非常软的中间体的危险。这一危险同样存在于热解所提出的聚合物聚乙烯醇中，其中聚乙烯醇当加热时，会在预成形体内形成气态分解产物；这些气态产物被充裕地释放，且可破坏成型体。常规的金属和陶瓷也不适合于热法用以固化挤压的未加工体和它碳化形成C/C中间体，这是因为它们的热-物理性能通常不匹配。
在德国专利DE 198 24 571C中，提出了进一步的方法，在含C/SiC复合陶瓷的物体中产生中空的空间。在制造预成形体的过程中，通过挤压，使用硅，硅合金或Si/BN混合物的芯材，形成中空的空间。直到用液体硅渗透的步骤，才从预成形体中除去芯材，并充当硅化步骤的硅源。在硅化之前，必须加热预成形体，并将其转化成C/C中间体，且有机成分，例如粘合剂分解并发生预成形体的收缩。这一收缩导致预成形体在含硅芯材上收缩，这反过来另外经历加热时导致的热膨胀。一般地，生成非所需的应力，和结果甚至在预成形体内发生断裂，这二者必须要避免。
发明公开
本发明涉及生产含纤维增强的陶瓷复合材料的中空体的方法。本发明的方法尤其涉及陶瓷复合材料的生产，所述陶瓷复合材料用碳纤维增强且具有凹处和中空空间并通过用硅金属渗透，以便与至少一部分碳反应，形成碳化硅。在本发明中，使用这一坚固结实的材料，替代钢作为常规的装甲（armor）材料。具体地，我们用采用陶瓷材料制造的装甲替代"P-900"装甲。这一重大的材料改变的结果是，其他设计改良(refinement)是可能的。William A.Gooch在美国专利5,007,326中公开了P-900的细节和权项。
当与不具有孔的类似面板相比时，所述装甲重量减轻。
所述装甲在横跨面板中心部分的所有点上具有均匀的面密度。
所述装甲可与表层或结构而不是贴花一体。进一步包括一体的装置，它可具有对全部应用做出贡献的结构机械性能。这可导致重量减少，部件数量减少和系统成本下降。
制造防御性陶瓷基装甲面板，其中可在最终加工使材料具有充足的强度和硬度之前，通过额外的加工细节，例如肋条，凸缘，圆顶(dome)，孔，狭缝，绳股和许多其他复杂的设计细节，进一步成型陶瓷前体的“生坯”。
本发明的方法尤其涉及生产陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料用碳纤维增强，并具有凹处和中空的空间，且通过用硅金属渗透而转化，以便与至少一部分碳反应，将碳化硅(SiC)形成为具有碳纤维且具有含SiC-或含-碳和SiC基体的复合材料(C/SiC或C/C-SiC材料)、尤其在装甲面板，刹车盘，离合器盘和摩擦盘中使用这些复合材料，且还用作耐高温和磨蚀的结构材料。使用任何陶瓷材料在本发明的范围内。尤其优选的陶瓷是C/SiC，然而，可使用其他陶瓷材料和其他纤维。正如美国专利申请公布No.US 2003/0118757中所述。本发明由具有孔的防御性装甲组成，所述孔足够小，以便在没有破坏装甲的情况下，射弹不能穿过。而且，防御性装甲中的孔以倾斜度模塑。进一步包括一体化的装置，它可具有对全部应用性能做出贡献的结构机械性能。这可导致重量减轻，部件数量减少和系统成本下降。
本发明的装甲可含有任选的薄层。所述任选的层可位于基础装甲板的或者内部或者外部。存在任选的层提供对任何射弹影响的增强保护，且辅助射弹崩溃。另外，任选的层，若置于装甲板外部，起到在该外表面上简化清洁和上漆装甲板的作用。在所述任选的薄层上，可放置任选的硬质饰面材料。所述硬质饰面材料的例举材料可包括碳布，碳化钨颗粒，FeCr涂层，FeCr/Mo/V饰面，1642CrC饰面或CeramcoCr 7 C 3。正如美国专利No.5,007,326所示。所述的一层或多层材料层也可包括玻璃纤维，芳族聚酰胺纤维，超高分子量聚乙烯或其他聚合物材料。
本发明的装甲可进一步包括经其可使用螺钉将所述装甲固定到待保护的基底上的下凹的凹处。所述螺钉可连接到管状隔板(spacer)上，其中管状隔板的一端直接连接到基底上，和另一端通过螺钉机构连接到装甲上。这些管状隔板在装甲和基底之间提供预定的投射距离。在制造装甲的工艺过程中，模塑下凹的凹处。所述下凹的凹处提供比最初的现有技术P900装甲设计更加容易储存的装甲。正如美国专利5,007,326所示。
本发明进一步的目的是提供给制造所述单板装甲的方法，以便降低生产成本，消除废料材料，掺入安装机构，减少装甲系统的重量，并产生具有比较光滑边缘的装甲。
本发明进一步的目的是生产具有孔的贴花或者一体的陶瓷装甲，其中没有通过穿孔或者钻孔技术产生所述孔。
本发明进一步的目的是生产减少其安装时间的装甲。
本发明进一步的目的是生产装甲，它将减少总的保护系统和装甲的安装重量。
本发明再进一步的目的是提供对射弹攻击具有高性能的防御性装甲。
在一个实施方案中，本发明是防御性的陶瓷基贴花装甲，用于覆盖并保护可能暴露于射弹的攻击下的基底，该贴花装甲包括：
由陶瓷材料形成且具有第一表面和第二表面的平坦或弯曲的装甲板；
所述陶瓷材料由具有碳纤维的碳化硅(C/SiC)形成；
所述陶瓷材料在至少一个所述表面上具有多个孔；
所述孔的直径小于预期的子弹或者弹药射弹(ammunitionprojectile)；
相对于所述至少一个表面倾斜设置的所述孔；
通过压机模塑，镗孔(boring)，钻孔(drilling)或其结合形成的所述孔；和
增加贴花装甲的可维护性或保护能力的表层薄层或者多层。
相对于一个表面倾斜地设置是指每一孔的内壁基本上确定直角的圆柱体，于是相对于装甲板的至少一个表面，侧壁具有一定的角度。
建造并配置防御性陶瓷基装甲，用以覆盖基底并抑制弹药侵入和弹药基射弹。
在一个实施方案中，防御性陶瓷具有位于装甲外部，内部或者内部且外部的表层薄层。
在一个实施方案中，本发明是提供对基底抗射弹武器保护的装置，该装置包括：
防御性贴花或者一体的装甲；
固定所述防御性贴花或一体的装甲到基底上的机构；所述防御性贴花或一体的装甲包括由形成C/SiC板的具有碳纤维的碳化硅组成的平坦或弯曲的装甲板，和在所述C/SiC板的外部，内部或者内部和外部形成的一层或更多层；
所述C/SiC板增加所述装甲的可保护性且具有预定的厚度和多个孔；
所述孔足够小，以防止射弹穿过；
所述孔倾斜设置，结果通过摩擦和冲击吸收动能；和
薄层增加所述装甲的可维护性或保护能力。
该装置进一步包括衬里层，击穿(disruptive)层，和置于所述衬里层和所述破裂层之间的粘合剂层。
装置装甲定义了在所述贴花和基底之间的投射距离。
本发明还涉及生产具有多个中空通道的纤维增强的陶瓷材料的方法，该方法包括下述步骤：
生产具有与中空通道形状相对应形状的芯(cores)；通过结合该芯与压机模塑配混料到压机模塑模具内，引入芯，产生生坯；
其中压机模塑配混料含有一种或更多种碳纤维，碳绳股，沥青，树脂或其结合物；
压机模塑配混料在热处理时在非氧化氛围内形成含碳的残渣，所述非氧化氛围被构造为引起芯位置对应于中空通道的所需位置；
通过在压力下加热到120℃-280℃的温度，固化生坯；
通过在非氧化氛围内加热到约750℃-约1100℃的温度，碳化固化的生坯，且碳化形成碳-碳，C/C，体；和
在碳化步骤之后，通过挤压压机模塑配混料，由在比成型体固化温度高的温度下没有分解的材料熔体，形成芯。
该方法还包括在碳化步骤之后，用液体金属渗透C/C体，其中发生形状的保留，且在C/C体的基体内存在的碳至少部分与金属反应，形成碳化物。
在其中比其熔点高的温度下，在不存在显著残渣的方法中，该方法使用可熔融的材料以供被热解。
该方法提供在热解用于芯的可熔融材料之后残留的任何残渣不大于10%w/w。该方法中的压机模塑配混料含有平均长度为至少5mm的碳纤维，该纤维充当增强材料。将压机模塑配混料引入到模具内，其方式使得在所得成型部件内，碳纤维主要平行于最高拉伸应力的方向取向，和压机模塑配混料含有涂布的短纤维束形式的碳纤维作为增强材料。压机模塑配混料包括选自煤焦油沥青，石油沥青，可固化树脂，及其结合物中的沥青，和可固化的(crucible)树脂选自酚树脂，环氧树脂，聚酰亚胺，具有糠醇的含填料的混合物，呋喃树脂及其结合物。
在本发明的方法中，在最多到其分解温度下，芯材料的线性热膨胀系数不大于约5×10-6K-1。
权利要求7中要求保护的方法，其中用于芯的材料是根据I SO75A，热畸变温度为至少80℃且布氏硬度为至少30MPa的热塑性聚合物。
用于芯的材料是其中填料的质量分数为至少15%的含填料的热塑性聚合物。
填料选自包括白垩，玻璃球，玻璃微球，硅灰石(wollastonite)，玻璃纤维，碳纤维，陶瓷纤维及其结合物的材料。
用于芯的材料是具有填料的含填料的热塑性聚合物，所述填料包括充当热解促进剂的氧化剂。在一个实施方案中，芯所使用的材料是成形的热塑性材料。
在一个实施方案中，用于芯的材料是低熔点的金属，当使用低熔点的金属时，低熔点的金属是熔点低于300℃的金属或金属合金。
在一个实施方案中，低熔点的合金以金属Al,Zn,Cu,Bi,Pb,Sn,Fe,Sb和Si为基础。
优选的低熔点合金选自铋和铋合金，锡合金，和Zn/Mg/Al/Cu合金。
根据本发明的下述详细说明，附图和权利要求，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。
附图简述
图1是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明的一个实施方案，其中孔的布局导致重量减轻约2.5%。
图2是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明的一个实施方案，其中孔的布局导致重量减轻约5%。
图3是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明的一个实施方案，其中孔的布局导致重量减轻约10%。
图4是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明的一个实施方案，其中在截面视图中示出了两个连接板的布局。
图5是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明底座(base)的一个实施方案，并示出了底座，模塑钉和压机模塑材料的布局的截面。
图6是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明底座的一个实施方案，并示出了底座，模塑钉，压机模塑材料和顶板的布局的截面。
图7是平面视图和沿着线A-A的截面，它示出了本发明的一个实施方案，其中在截面中示出的孔布局表明孔仅仅部分穿过板的深度。
实施本发明的最佳模式
本发明是贴花装甲，其中以贴花装甲的一部分的形式形成具有第一侧12和第二侧16的板10。板10具有在板10的至少一侧上形成的多个孔或孔14。通过压机模塑，钻探，钻孔，或其结合中的至少一种，形成孔14。当通过压机模塑形成孔14时，底座18置于框架20内部。框架20大致等于底座18的周长且其形成深度使得当压机模塑材料24置于框架20内部底座18的顶部上时，存在孔空间26，所述孔空间26将容纳顶板28以供压机模塑过程。模塑钉24从底座18向外延伸，结果本发明的压机模塑制品具有在板10内形成的孔14的多个倾斜孔。
如图1所示，板10的第一表面12具有在其内形成的孔14。图1还描绘了沿着A-A，在其上的部分截面，该图示出了孔完全彻底地延伸，结果孔14在第一表面12和第二表面16上具有开口。提供部分截面，示出了在本发明的一个实施方案中，孔14具有在第一表面12和第二表面16每一个上的开口，但图2-6所示的真实截面也将描绘第一表面12和第二表面16每一个且开口将不是清楚明显的。图1中孔14的布局导致移除质量和重量减少约2.5%。
图2的布局提供重量减少大约5%。另外，图2示出了孔14的倾斜偏移。线“M”代表与第一表面12的水平表面的垂直线。这仅仅是例如说明性的，若第一表面12是曲线，则线“M”垂直于切线，其中切点是孔12的中心。线“N”代表形成圆柱体腔(它被视为孔14)的内壁的延长线。角度“x”是相对于线“M”的偏移或倾斜角。在一个实施方案中，角度“x”介于约15-50度。在优选的实施方案中，角度“x”介于约20-30度。
在图3中孔14的布局导致移除质量且重量减少约2.5%。
图4是一个实施方案，其中固体C/SiC板30直接连接到在其上形成了孔14的板的第二表面16上。
图5示出了在压机模塑中使用的基板18。基板18具有绕其四周的框架20。正如沿着图5的线A-A的截面视图看到的，框架20含有基板18且定义了在压机模塑材料24的表面上方的内部空腔26。基板18具有在其上布置的压机模塑钉22以供产生阴模并在压机模塑之后形成板14的所需孔14。
图6示出了图5的布局，且进一步示出了在压机模塑材料24上方置于框架20以内和在腔26以内的顶部压机模塑板28。箭头34示出了方向性施加移动和在压机模塑工艺中所使用的力。
图7是一个实施方案，其中孔14仅仅通过第一表面12形成到板距离的约20-65%的厚度内。在优选的实施方案中，孔在板的约35-60%的厚度之间延伸。
每一个孔14的直径随打算使用的环境而变化。
优选的实施方案具有内径为5-7mm的孔14。
用硅金属渗透成型体的至少一层外层并与成型体内的碳至少部分反应，产生SiC，从而形成成型体，所述成型体包括至少在外层内的由含包埋在主要含SiC,Si和C(此处称为C/SiC)的基体内的碳纤维组成的复合陶瓷。
以下中，术语C/SiC还包括材料变体，其中如上所述，仅仅碳体的外层用硅渗透并与之反应。
常规的生产方法还包括其中借助液相或气相，用碳前体，例如在不存在氧化介质的情况下加热时形成碳的物质，或者通过碳，致密化C/C体，或者通过气相渗透(CVD，化学气相沉积，或CVI，化学气相渗透)，或者通过热解含Si的预陶瓷聚合物，生产主要含SiC,Si和C的基体。
使用本发明的方法与材料，形成复合装甲，所述复合装甲包括破裂层和衬里层，所述衬里层提供对防冲击波和弹道威胁的保护。本发明内包括包封的陶瓷材料，所述包封的陶瓷材料可用于提供保护防止弹道和过压的威胁。提供破裂层，经一个或更多个机构“击穿”攻击复合装甲的射弹，从而导致其动能消散。
当今机动车刹车盘所使用的材料主要是钢或灰口铁，和飞行器应用中，用碳纤维增强的碳材料(C/C)。与在刹车的摩擦配对中的摩擦补板(partner)相结合，圆盘材料所要求的性能是高的机械稳定性，耐热性，硬度和耐磨性。迄今为止使用的灰口铁刹车盘的使用温度受到材料熔点的局限。取决于应力，机械断裂发生时的温度显著低于熔点。此外，存在圆盘龟裂的风险，这是因为当加热时金属微结构发生了转变。已发现，使用纤维增强的陶瓷作为刹车盘应用的材料是这些问题的解决方法。尤其发现用碳纤维增强的基于碳化硅的材料(C/SiC)可用于这一应用。这一材料的优点是，较低的密度(因此，对于给定体积来说，降低的重量)，高的硬度和一直到最多约1400℃的耐热性，和最起码，极高的耐磨性。由这些C/SiC材料制造的刹车盘显著降低的重量是通过减少在机动车内的簧下质量(unsprung masses)，改进舒适度和安全度的积极因子，以及在飞行器领域中的经济因子。与以前基于C/C或金属的常规材料相比，C/SiC组分的高硬度和耐磨性使之可能实现远远较长的操作寿命。
例如根据DEA197 10 105，生产C/SiC组分的方法是已知的，且尤其包括下述步骤：
制备可用涂层和填料和/或粘合剂，例如树脂和/或沥青涂布的含碳纤维或纤维束的压机模塑配混料，
在压力下和在升高的温度下成型该混合物，并碳化含碳填料和粘合剂，生产成型体，尤其含用碳纤维增强的碳(C/C)的成型体，和视需要，随后石墨化；
用硅金属渗透成型体的至少外层，并至少部分与成型体内的碳反应，产生SiC，从而形成成型体，所述成型体至少在外层包括由包埋在主要含SiC,Si和C(此处称为C/SiC)的基体内的含碳纤维组成的复合体系。
以下术语C/SiC还包括材料变体，其中如上所述，仅仅碳体的外层用硅渗透并与之反应。
本发明提供芯材料和与之匹配的方法，该方法适合于通过挤压，成型纤维增强的含碳中间体，以便它们具有接近于最终形状的形状，且芯能轻轻地、简单地除去，且优选没有留下残渣且没有损坏固化的中间体。
根据本发明，这通过使用由在通过挤压成型的过程中在固化温度以上熔融但没有分解的材料制造的芯，和视需要，在进一步的热法中没有留下残渣的热解来实现。然后，不含芯的中间体可视需要流动(pass)，用熔融金属渗透，尤其硅化，得到最终的复合陶瓷。
本发明因此提供生产含纤维增强的陶瓷材料的中空体的方法，其中在第一步中，生产其形状对应于中空空间形状的芯；
第二步中，通过将以上提及的芯和压机模塑配混料引入到模具内，生产生坯，其中压机模塑配混料包括碳纤维和/或碳纤维束和/或碳绳股，它们优选用在非氧化氛围内热处理时形成含碳残渣的碳或含碳化合物和沥青和/或树脂涂布，其方式使得芯的位置对应于待形成的中空空间的所需位置；
第三步，在压力下，通过加热到120℃-280℃的温度，固化生坯；其中大气压为约1.0x105kPa，所施加的压力介于大气压和1.5x106MPa之间。
第四步，通过在非氧化氛围内碳化固化的生坯，也称为中间体到约750℃-约1100℃的温度，得到C/C体，和视需要，
第五步，在保持其形状的情况下，用液体金属渗透C/C体，且在C/C体的基体内存在的碳至少部分与金属反应，形成碳化物，其中芯包括主要在第四步中在高于成型体的固化温度的温度下，通过挤压压机模塑配混料，熔融但没有分解的材料。
对于本发明的目的来说，硅还被术语“金属”囊括。
一直到其分解温度，芯所使用的材料的线性热膨胀系数优选不大于5×106K-1。
在本发明的上下文中，“主要”是指至少50%的质量。
优选使用其熔点比生坯的固化温度高不大于100℃，尤其优选不大于50℃，和特别地不大于30℃的材料。
在进一步优选的实施方案中，在比其熔点高的温度下，优选比其熔点高至少10℃，尤其至少50℃的温度下，在没有留下显著的残渣(即，不大于起始质量的20%，优选不大于10%)的情况下，热解芯所使用的能熔融，但没有分解的材料。
在使用热塑性聚合物作为芯材料的实施方案中，优选通过注塑生产芯。一般地，合适的成型方法是已知方法，例如冷或热挤压，铸塑，加压铸塑或切削加工，这取决于所使用的材料。
本发明的方法提供压机模塑配混料，它包括碳纤维，可热固化的粘合剂，和尤其在第二步中待挤压的含碳的添加剂，以便形成具有中空空间和/或凹处的生坯。
优选在芯上的碳增强纤维的预定的优先方向上，在芯的附近形成C/C中间体的碳纤维层。对于这一目的来说，优选使用压机模塑配混料，它包括平均长度为至少5mm的碳纤维。然后，优选将第二步的压机模塑配混料引入到模具内，其方式使得在所得成型部件内，碳纤维主要平行于最高拉伸应力方向取向。在这一上下文中，主要是指至少50%。也可绕芯缠绕由平行和成束的碳纤维制成的胶带(也称为“UDTs”=单向性胶带)，并且视需要，通过可热固化的粘合剂固定这一鞘。然后通常在优选方向上取向的这一层碳纤维或绳股之上施加含短纤维或纤维束的进一步的压机模塑配混料。
在另一优选的实施方案中，使用涂布的短纤维束形式的碳纤维。此处尤其优选用石墨化碳涂布的纤维或纤维束，且具有小于5mm的平均长度。
作为可热固化的粘合剂，使用沥青，例如煤焦油沥青或石油沥青和/或优选可固化树脂，例如酚树脂，环氧树脂，聚酰亚胺，具有糠醇的含填料的混合物或呋喃树脂。对于这一目的来说，将这些组合物引入到提供有“丧失芯(lost cores)”的压机模具内。芯占据在复合陶瓷内随后形成的中空空间或凹处。在填充压机模具之后，挤压组合物并在热的作用下固化。
在本发明的一个实施方案中，由可熔融的材料生产芯，所述可熔融材料选自可热解且没有留下残渣的热塑性聚合物(合成聚合物)，下文也称为热塑性芯。根据本发明，选择用于芯的热塑性材料，以便其熔点高于生坯的成型工艺中的固化温度，典型地范围为120-300℃，但显著地低于挤压并固化的生坯的碳化温度。熔点通常为至少150℃，优选至少180℃，和尤其优选范围为220℃-280℃。若酚树脂用作压机模塑配混料的粘合剂，则热塑性材料的熔点例如高于150℃。对于通过挤压和热固化粘合剂的优选成型来说，热塑性芯必须对其抗热畸变性满足严格的要求。热畸变温度(根据ISO 75A定义)通常高于80℃，优选至少150℃。硬度(布氏硬度)应当为至少30MPa。
尤其有用的热塑性材料是聚酰胺(PAs)，例如PA 66,聚酰亚胺(Pis)，例如聚醚酰亚胺(
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General Electric)或改性的聚甲基丙烯酰胺(PMI,e.g.Rohm&Haas),聚甲醛(POM)和聚对苯二甲酸酯类(PETP),及其共聚物。在通过挤压成型之后，具有热塑性芯的生坯转化成C/C状态，即碳化。这通常通过在非氧化氛围内，例如在保护性气体(氮气)或在降低的压力下加热到范围为约750℃-1100℃的温度来实现。若加热生坯到高于约1800℃的温度，则另外发生碳的石墨化。重要的是，在没有分解的情况下，热塑性芯熔融，且至少一些熔体流出生坯的中空空间，形成气态产物。芯的热膨胀系数优选不大于5×10-6K-1，以保证生坯在加热到热塑性芯的熔点过程中没有遭受应力。
在熔融之后，可收集热塑性聚合物，并视需要再利用。然而，尤其优选在碳化步骤过程中，热解热塑性材料。特别是因为多孔生坯可在孔内保留熔体残渣。然后在较高温度下，基本上仅仅在生坯外部发生热解。这避免了生坯断裂。通常在高于250℃，优选比热塑性材料的熔点高至少10℃下发生热解，即分解形成气态产物。有利的是使用热塑性材料，它可基本上完全热解，但小量残留的碳不会干扰，这是因为它们随后被掺入到待形成的陶瓷基体内。在900℃下，在合适的聚合物热解时保留的残渣不大于10%，尤其优选不大于8%，和非常尤其优选不大于1%。非常适合于这一目的的聚合物是基于PA,PMI,POM和PETP的那些。优选聚酰胺66，聚甲醛，聚对苯二甲酸乙二酯和聚甲基丙烯酰亚胺，及其衍生物，共聚物和共混物。作为聚合物共混物中的组分，也可尤其使用不那么热稳定的聚合物。
在本发明进一步的实施方案中，使用热塑性芯，它由含填料的热塑性材料制造，以改进其强度和形状稳定性。填料也可以是粉末，纤维，微球或晶须形式，且选自玻璃，矿物填料，例如白垩，硅钙石，陶瓷材料和金属。优选使用一直到碳化温度既不分解也不熔融的填料。在碳化之后，可再捕获填料作为热解残渣，然后可除去和可能地再利用。优选使用纤维填料，例如玻璃，矿物或碳纤维。在填充的热塑性材料内填料的质量分数为至少15%，优选至少30%，这取决于芯的制造方法。
也可使用有机的不可热解的材料作为填料；可碳化的树脂，例如以上提及的粘合剂尤其有用。
同样考虑在一个实施方案中，使用含填料的热塑性材料，其中填料包括氧化试剂(氧化剂)，它充当热解促进剂。为了简化从生坯中除去热塑性芯的任何残渣，发现这样掺入氧化剂是非常有用的。这些氧化剂对热塑性芯的靶向的氧化分解做出贡献。尤其优选掺入硝酸铵，例如质量分数为至少10%。
在芯的分解过程中释放的热解气体量可减少，和与此同时，在技术上可简化对于生坯来说的碳化步骤，此时，在本发明进一步有利的实施方案中，发泡的热塑性材料用作芯材料。在这一情况下，可使用例如发泡的聚酰胺，例如聚甲基丙烯酰胺。
在本发明进一步的实施方案中，使用低熔点金属的芯。一直到熔融步骤中，材料必须满足的工艺和要求基本上与在热塑性芯情况下的那些相同。与热塑性材料相比，金属的优点是，它们显著较高的强度，但不可能像热塑性芯情况一样热解。因此有利的是收集并再利用熔融金属，尤其有用的金属是熔点低于300℃的低熔点金属合金。
通常使用基于金属Al,Zn,Cu,Bi,Pb,Sn,Fe,Sb和Si的合金。在金属合金的情况下，发现铋和铋合金非常有用，这是因为它们在低温下熔融，且具有负的热膨胀系数。这避免加热时生坯断裂。在它们熔融且流出之后，熔融金属可返回到生产工艺中。除了这一经济和生态优点以外，使用金属芯的最大的优点是下述事实：它可容易地在铸塑中生产。尤其优选Bi和Sn合金，以及Zn/Mg/Al/Cu合金。
在生坯碳化之后，除去所形成的在中空空间内存在的任何热解残渣或碳残渣，并获得具有中空空间或凹处的多孔C/C体，且可进一步利用。它可进行进一步的切削/成型或组装或粘合剂粘结，以生产更加复杂的结构。
在第五步中，视需要，致密化多孔C/C体，获得更加有用的工件。
在本发明方法的优选实施方案中，通过用熔融金属渗透，和视需要随后热处理，通过将C/C体中的碳至少部分转化成相应的碳化物，进行这一致密化。优选用熔融硅渗透，在此情况下，至少一部分碳(优选在基体内的碳)反应，形成碳化硅；基体然后包括SiC，未反应的碳和未反应的硅。对于这一目的来说，用硅粉覆盖C/C体，然后在减压下加热到约1500-约1800℃的温度。取决于打算的用途，绝对不需要转化所有的C/C体成C/SiC，但对于至少外层来说，通常要转化成C/SiC。尽管硅金属的渗透是优选的方法，但也可通过其他常规的方法，致密化C/C体，形成在复合材料技术中常规的基体。特别地，也可使用硅合金，进行液体硅渗透工艺，所述硅合金可尤其进一步包括金属，例如Cr,Fe,Co,Ni,Ti和/或Mo。
所述的方法优选用于生产刹车盘或离合器盘。此处，将压机模塑配混料和芯引入到圆柱形模具内，且压机模塑配混料的连续层优选以最底层和最外层形式引入。在挤压之后，底层和覆盖层的厚度优选至少7mm。这些层形成刹车或离合器盘的摩擦层。形成刹车或离合器盘的成型体通常具有环面的外部形状，即在圆盘的全部厚度上靠近轴的区域是开放的。优选在圆柱体的轴周围以旋转对称方式排列芯，和优选使用至少2和不大于16个芯。芯的形状优选使得所形成的中空空间从圆柱成型体的周边延伸到成型体的内部边缘，并因此在环面的内部和外部圆柱形边缘之间形成开放通路。
图1是具有例如下述特征的陶瓷基“P-900Style Armor”：基底(例如，铁，铝，合金或具有碳纤维的碳化硅C/SiC)；表层1(例如，粘合剂层)，表层2(例如，硬层，例如C/SiC)和圆柱形孔结构(例如，C/SiC)。
以上列出的具体尺寸和参数仅仅是代表性的附图。本发明优选装甲的尺寸仅仅受到可获得的生产设施的尺寸限制。要理解，所述和所示的实施方案仅仅以实例给出，和本发明的装甲元件可以是许多其他变通方案-即尺寸，形状等的目的。
尽管参考具体实施方案和附图描述了本发明，但要理解，本发明不限于那些精确的实施方案，和本领域的技术人员可在没有脱离本发明的范围或精神的情况下，进行各种变化和改性。

Claims (26)

1.用于覆盖和保护可能暴露于射弹的攻击下的基底的防御性、陶瓷基贴花装甲，该贴花装甲包括：
由陶瓷材料形成且具有第一表面和第二表面的平坦或弯曲的装甲板；
所述陶瓷材料由具有碳纤维的碳化硅(C/SiC)形成；
所述陶瓷材料在至少一个所述表面上具有多个孔；
所述孔的直径小于预期的子弹或者弹药射弹；
所述孔是相对于所述至少一个表面倾斜设置；
所述孔是通过加压模塑、镗孔、钻孔或其结合形成。
2.权利要求1的防御性陶瓷基装甲，表层薄层或多层增加贴花装甲的可维护性或保护能力。
3.权利要求1的防御性陶瓷基装甲，其中建造并配置陶瓷基装甲用以覆盖基底和用以抑制弹药和弹药基射弹侵入。
4.权利要求2的防御性陶瓷基装甲，其中将所述表层薄层布置于装甲外部，内部，或者内部且外部。
5.对基底提供抗射弹装甲保护的装置，该装置包括：
防御性贴花或一体的装甲；
固定所述防御性贴花或一体的装甲到基底上的机构；
所述防御性贴花或一体的装甲包括由形成C/SiC板的具有碳纤维的碳化硅组成的平坦或弯曲的装甲板，和涂在所述C/SiC板的外部，内部，或者内部且外部的一层或更多层；
所述C/SiC板增加所述装甲的保护能力且具有预定的厚度和多个孔；
所述孔足够小，以防止射弹穿过；
所述孔倾斜设置，结果通过摩擦和冲击吸收动能。
6.权利要求5的装置，它进一步包括增加所述装甲的可维护性或保护能力的薄层。
7.权利要求5的装置，它进一步包括衬里层，破裂层，和置于所述衬里层和所述破裂层之间的粘合剂层。
8.权利要求5的装置，其中所述装甲定义了在所述贴花和基底之间的投射距离。
9.生产具有多个中空通道的纤维增强的陶瓷材料的方法，该方法包括下述步骤：
生产具有与中空通道形状相对应形状的芯；
通过结合该芯与加压模塑配混料到加压模塑模具内，引入芯，产生生坯；
所述加压模塑配混料含有碳纤维、碳绳股、沥青、树脂或其结合物中的一种或更多种；
所述加压模塑配混料在热处理时在非氧化氛围内形成含碳的残渣，所述非氧化氛围被构造为引起芯位置对应于中空通道的所需位置；
通过在压力下加热到120℃-280℃的温度，固化所述生坯；
通过在非氧化氛围内加热到约750℃-约1100℃的温度，碳化所述固化的生坯，且碳化形成碳-碳，C/C，坯；和
在碳化步骤之后，由一种材料形成芯，所述材料在比通过挤压所述加压模塑配混料而进行的成型的固化温度高的温度下熔融而没有分解。
10.权利要求9的方法，它进一步包括，在碳化步骤之后，用液体金属渗透C/C坯，其中发生形状的保留，且在C/C坯的基体内存在的碳至少部分与金属反应，形成碳化物。
11.权利要求9的方法，它进一步包括使用用于芯的可熔融材料，该材料在其中在比其熔点高的温度下不存在显著残渣的方法中，被热解。
12.权利要求11的方法，其中在热解用于芯的可熔融材料之后残留的任何残渣不多于10%w/w。
13.权利要求9的方法，其中所述加压模塑配混料含有平均长度为至少5mm的碳纤维，该纤维充当增强材料。
14.权利要求9的方法，其中将加压模塑配混料引入到模具内，其方式使得在所得成型部件内，碳纤维主要平行于最高拉伸应力的方向取向。
15.权利要求9的方法，其中加压模塑配混料含有涂布的短纤维束形式的碳纤维作为增强材料。
16.权利要求9的方法，其中加压模塑配混料包括选自煤焦油沥青，石油沥青，可固化树脂，及其结合物中的沥青，和可固化的树脂选自酚醛树脂，环氧树脂，聚酰亚胺，具有糠醇的含填料的混合物，呋喃树脂及其结合物。
17.权利要求9的方法，其中在最多到其分解温度下，芯材料的线性热膨胀系数不大于5×10-6K-1。
18.权利要求9的方法，其中用于芯的材料是根据ISO 75A，热畸变温度为至少80℃且布氏硬度为至少30MPa的热塑性聚合物。
19.权利要求9的方法，其中用于芯的材料是其中填料的质量分数为至少15%的含填料的热塑性聚合物。
20.权利要求9的方法，它进一步包括从白垩，玻璃球，玻璃微球，硅灰石，玻璃纤维，碳纤维，陶瓷纤维及其结合物中选择填料。
21.权利要求9的方法，其中用于芯的材料是具有填料的含填料的热塑性聚合物，所述填料包括充当热解促进剂的氧化剂。
22.权利要求9的方法，其中用于芯的材料是成形的热塑性材料。
23.权利要求9的方法，其中用于芯的材料是低熔点的金属。
24.权利要求23的方法，其中低熔点的金属合金具有低于300℃的熔点。
25.权利要求23的方法，其中低熔点的合金以金属Al,Zn,Cu,Bi,Pb,Sn,Fe,Sb和Si为基础。
26.权利要求23的方法，其中低熔点合金选自铋和铋合金，锡合金，和Zn/Mg/Al/Cu合金。
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