CN103072363A - 结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，将难熔金属和硬质陶瓷热压连接成金属/陶瓷层状复合材料，不同层的陶瓷基片的厚度可根据抗冲击性能要求进行设计，厚度越厚抗冲击能力越强，但重量增加。金属层起到粘接作用，使陶瓷层受到冲击后具有“裂而不碎”的功能，可实现金属/陶瓷层状复合材料抵抗二次冲击的能力；同时金属层具有良好的韧性，可阻碍裂纹的扩展，受到冲击时可产生大的塑性变形来吸收冲击能，提高材料的抗冲击能力。金属/陶瓷层状复合材料中金属与陶瓷的界面可通过调整连接工艺（连接温度、压力和时间）来控制，界面结合强，则二次抗冲击能力强。

Description

结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，涉及一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，尤其涉及一种能抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，特别是一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法。

背景技术

随着射击速度的极大提高，可产生高的动能冲击；而且弹头中加入可燃成分，会产生燃烧高温，使弹头在碰撞时产生高的瞬时动能冲击(>300GPa)和极高的表面温度(2x10⁴K)，战场人员、车辆、飞机和设备的安全保障面临极大的挑战。高能冲击时，由于摩擦和弹头组分燃烧引起的表面高温使金属难以抵抗高能冲击。陶瓷材料虽然耐高温，但陶瓷脆性使其受冲击即碎，难以抵抗二次冲击。因此，单一金属或者陶瓷材料难以抵抗高能和二次冲击，必须发展新型防护材料，要求材料满足耐高温(>1540℃)、高强度(>600GPa)、高韧性和高硬度的性能，且要具有抗二次冲击的能力。

陈维平等人采用挤压浸渗法制备Al/SiC层状复合材料[陈维平等，华南理工大徐学报（自然科学版），2010,38(9)：90-95]，弹道冲击下陶瓷粉碎和崩落，金属内衬融化、变形。在公开/告号CN1623770A的中国专利中公开了一种金属/陶瓷层状复合材料防护板的制备方法，此方法将铝、铁等金属层与陶瓷层在600℃～900℃下通过活性铸接工艺或火星金属钎焊工艺制备金属/陶瓷层状复合材料，仅能防护低温冲击，且无抗二次冲击能力。

陶瓷材料具有高硬度、高强度、高耐压强度和耐高温的性能，金属具有高韧性和高塑性的性能，金属/陶瓷层状复合材料结合了金属和陶瓷的优异性能，能够具有高硬度、高强度、高韧性和高耐压强度等性能，能够满足抗二次冲击的要求。但当前金属/陶瓷层状复合材料多使用熔点低的铝、铝合金及钢等金属及合金，在高能冲击过程中易熔而使材料整体失效；同时金属和陶瓷界面强度低，在冲击过程成中陶瓷易碎而脱落，缺乏抗二次冲击的能力。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，引入难熔金属（Ti，Zr等），发明了一种抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，使材料结构可设计，界面强度可控制，最重要的是复合材料具有抗高能冲击和二次冲击的能力。

技术方案

一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据需要将陶瓷加工成需要的形状和不同厚度的陶瓷基片，再对其进行抛光、清洗和烘干处理；

步骤2：将金属箔或金属板切割成与步骤1加工的陶瓷基片相吻合的形状；

步骤3：以金属箔或金属板将多个陶瓷基片间隔叠层设置得到需要的层数和厚度，得到预制体，然后置于石墨模具中；

步骤4：将石墨模具置于热压炉中，将热压炉抽真空使其低于3.0×10^-3Pa时开始升温；升温时沿预制体的叠层方向向预制体内施加5～10MPa的压力；当热压炉的温度由室温升至1600～1900℃时开始保温，保温时间为0.5～2h；然后卸去施加在预制体的压力，并随炉冷却至室温，得到金属/陶瓷层状复合材料；所述升温速率与降温速率为5～20℃/min。

所述陶瓷基片为SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、AlN或ZrO₂的陶瓷基片。

所述陶瓷基片为SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、AlN或ZrO₂组合体的陶瓷基片。

所述金属箔为钨、铪、铌、铁、铁合金、钛或锆的金属箔。

所述金属板为钨、铪、铌、铁、铁合金、钛或锆的金属板。

有益效果

本发明提出的一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，将难熔金属和硬质陶瓷热压连接成金属/陶瓷层状复合材料，不同层的陶瓷基片的厚度可根据抗冲击性能要求进行设计，厚度越厚抗冲击能力越强，但重量增加。金属层起到粘接作用，使陶瓷层受到冲击后具有“裂而不碎”的功能，可实现金属/陶瓷层状复合材料抵抗二次冲击的能力；同时金属层具有良好的韧性，可阻碍裂纹的扩展，受到冲击时可产生大的塑性变形来吸收冲击能，提高材料的抗冲击能力。金属/陶瓷层状复合材料中金属与陶瓷的界面可通过调整连接工艺（连接温度、压力和时间）来控制，界面结合强，则二次抗冲击能力强。

本发明采用热压连接而成的金属/陶瓷层状复合材料具有优异的抗高能、二次冲击性能，层材料和厚度可设计，界面强度可控制，从而实现了其抗高能、二次冲击性能可设计。

附图说明

图1是本发明金属/陶瓷层状复合材料的制备方法流程图；

图2是本发明方法所制备的金属/陶瓷层状复合材料结构示意图；

图中，1－陶瓷层，2－金属层，3－陶瓷和金属层间界面。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：层状锆/碳化硅陶瓷复合材料

步骤1：碳化硅陶瓷基片的准备

将碳化硅陶瓷加工成厚度为2mm，直径为30mm的陶瓷基片若干，经抛光、清洗，然后置于烘箱中150℃保温3h烘干。

步骤2：锆箔片的准备

将厚度为0.2mm的锆箔切割成直径为30mm的箔片若干。

步骤3：预制体的准备

将步骤1和步骤2准备的碳化硅陶瓷基片和锆箔片按照陶瓷/锆箔/陶瓷/锆箔/陶瓷/锆箔的次序叠层，并置于石墨模具中。

步骤4：热压连接

将步骤3准备好的预制体置于热压炉中进行连接。对热压炉抽真空，当热压炉的气压低于3.0×10^-3Pa时开始升温，升温速率为5℃/min；升温时沿预制体的叠层方向向预制体施加7MPa的压力；当热压炉的温度由室温升至1700℃时开始保温，保温2h；然后卸去施加在预制体的压力，并随炉冷却至室温，降温速率为5℃/min，得到层状锆/碳化硅陶瓷复合材料。

实施例2：层状钛/碳化硅陶瓷复合材料

步骤1：碳化硅陶瓷基片的准备

将碳化硅陶瓷加工成厚度为1mm，直径为30mm的陶瓷基片若干，经抛光、清洗，然后置于烘箱中150℃保温3h烘干。

步骤2：钛箔片的准备

将厚度为0.2mm的钛箔切割成直径为30mm的箔片若干。

步骤3：预制体的准备

将步骤1和步骤2准备的碳化硅陶瓷基片和钛箔片按照陶瓷/钛箔/陶瓷/钛箔/陶瓷/钛箔的次序叠层10层，并置于石墨模具中。

步骤4：热压连接

将步骤3准备好的预制体置于热压炉中进行连接。对热压炉抽真空，当热压炉的气压低于3.0×10^-3Pa时开始升温，升温速率为5℃/min；升温时沿预制体的叠层方向向预制体施加5MPa的压力；当热压炉的温度由室温升至1650℃时开始保温，保温2h；然后卸去施加在预制体的压力，并随炉冷却至室温，降温速率为5℃/min，得到层状钛/碳化硅陶瓷复合材料。

Claims (5)

1.一种结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据需要将陶瓷加工成需要的形状和不同厚度的陶瓷基片，再对其进行抛光、清洗和烘干处理；

步骤2：将金属箔或金属板切割成与步骤1加工的陶瓷基片相吻合的形状；

步骤3：以金属箔或金属板将多个陶瓷基片间隔叠层设置得到需要的层数和厚度，得到预制体，然后置于石墨模具中；

步骤4：将石墨模具置于热压炉中，将热压炉抽真空使其低于3.0×10^-3Pa时开始升温；升温时沿预制体的叠层方向向预制体内施加5～10MPa的压力；当热压炉的温度由室温升至1600～1900℃时开始保温，保温时间为0.5～2h；然后卸去施加在预制体的压力，并随炉冷却至室温，得到金属/陶瓷层状复合材料；所述升温速率与降温速率为5～20℃/min。

2.根据权利要求1所述抗高能冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷基片为SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、AlN或ZrO₂的陶瓷基片。

3.根据权利要求1所述结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷基片为SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、AlN或ZrO₂组合体的陶瓷基片。

4.根据权利要求1所述结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属箔为钨、铪、铌、铁、铁合金、钛或锆的金属箔。

5.根据权利要求1所述结构可设计的抗高能和二次冲击的金属/陶瓷层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属板为钨、铪、铌、铁、铁合金、钛或锆的金属板。

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