CN104588664B

CN104588664B - 一种金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用

Info

Publication number: CN104588664B
Application number: CN201510050307.7A
Authority: CN
Inventors: 闫学增; 林文松; 王静静
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Zhejiang Light Tough Composite Materials Co ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104588664A

Abstract

本发明涉及一种金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用，制作方法包括以下步骤：第一步：将质量分数分别为65％～90％的金属铝粉、5％～30％的金属钛粉及2％～5％的冰晶石进行机械混合，得到金属混合粉料；第二步：将形状规则的陶瓷块体均匀整齐的排列在模具中，陶瓷块体之间的间距为0.8～1.5mm；第三步：将第一步制得的金属混合粉料密实填充到第二步得到的陶瓷块体的间隙中，得到复合材料预制体；第四步，将复合材料预制体放入真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中，真空度保持在10^‑2Pa～10Pa之间，烧结温度700～900℃，烧结时间为10～60min，烧结后随炉冷却，得到金属封装陶瓷材料。与现有技术相比，本发明制备工艺简单，所制得复合材料中的金属与陶瓷结合致密。

Description

一种金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用

技术领域

本发明涉及陶瓷/金属复合材料技术领域，尤其是涉及一种金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用。

背景技术

氧化铝、碳化硅、碳化硼等陶瓷材料具有密度低、硬度高、耐磨蚀、耐高温等特点，非常适合作为轻质防弹材料。但这三种陶瓷材料都存在脆性高、韧性差的缺陷，陶瓷板在受到弹丸冲击时产生的裂纹容易沿着裂纹尖端快速扩展，因此，其抗多发子弹打击的能力较弱。此外，由于陶瓷的韧性差，被弹丸侵彻后，陶瓷板往往会碎裂飞溅，容易发生二次伤害。金属材料具有良好的强度和韧性，采用金属封装陶瓷的方法对陶瓷形成约束，是阻碍陶瓷碎裂飞溅、抑制裂纹快速扩展的有效方法。

目前利用金属对陶瓷进行约束的方法主要有轴向约束和侧向约束。利用夹板粘结、机械结合、表面喷涂等方法制备双层或多层的陶瓷夹芯结构的层状复合材料，对陶瓷板产生轴向约束，能有效抑制陶瓷碎片的飞溅。但是，由于这种约束方法没有纾解裂纹尖端的应力集中，不能明显抑制裂纹的快速扩展，不能有效提高陶瓷板抗多发子弹侵彻的能力。专利号为ZL200710018553.X的中国专利公开了一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法，采用铝合金铸造方法制备互穿型陶瓷/金属复合材料的装甲，以实现对陶瓷板的侧向约束。由于金属铝与碳化物陶瓷的润湿性差，且两者之间的热膨胀系数差别大，熔融的金属铝液凝固后与陶瓷片之间往往会形成一层很小的间隙，从而削弱金属对陶瓷的约束作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合紧密、结合轻度高的金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种金属封装陶瓷基体复合材料，所述的复合材料由陶瓷基体和封装陶瓷基体的金属构成，所述的陶瓷基体为形状规则的陶瓷块体，封装陶瓷的金属由质量分数分别为65％～90％、5％～30％和2％～5％的金属铝粉、金属钛粉和冰晶石的混合粉末烧结而成。

所述的陶瓷基体被金属层所紧密包覆。

所述的陶瓷基体的材质为氧化铝、碳化硅或碳化硼。

所述的陶瓷块体为三角形、矩形、圆形、椭圆形、五边形或六边形，或采用其他规则形状。

上述金属封装陶瓷基体复合材料的制作方法，包括以下步骤：

第一步：将质量分数分别为65％～90％的金属铝粉、5％～30％的金属钛粉及2％～5％的冰晶石进行机械混合，得到金属混合粉料；

第二步：将形状规则的陶瓷块体均匀整齐的排列在模具中，陶瓷块体之间的间距为0.8～1.5mm；

第三步：将第一步制得的金属混合粉料密实填充到第二步得到的陶瓷块体的间隙中，得到复合材料预制体；

第四步，将复合材料预制体放入真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中，真空度保持在10^-2Pa～10Pa之间，烧结温度700～900℃，烧结时间为10～60min，烧结后随炉冷却，得到金属封装陶瓷材料。

上述金属封装陶瓷基体复合材料的应用，其特征在于，所述的复合材料用于制作防弹用防护板、防弹衣或防弹插板。

与单一粉末不同，本发明提出的金属混合粉末由质量分数分别为65％～90％、5％～30％和2％～5％的金属铝粉、金属钛粉和冰晶石的混合粉末组成。在本发明限定的工艺条件下，金属钛与铝可以发生合金化反应并生成力学性能高于单一金属的合金。混合粉末中的金属钛能够促进金属铝与所述三种陶瓷基体的结合力。混合粉末中的冰晶石能促进熔化的金属铝液的流动性，并且能提高金属铝熔体与文本中所述三种陶瓷的润湿性，从而提高复合材料的致密度和整体强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明所制得的金属封装陶瓷复合材料中金属与陶瓷的结合紧密、结合强度高，复合材料单位面积的质量与陶瓷板的单位面积质量相当。

(2)本发明制备的金属封装陶瓷复合材料用途广泛，可以制成防弹用的防护板，可用于防弹衣或者防弹插板的制作。

(3)本发明的制备方法具有工艺简单、成本低廉、可以规模化生产的优点。

附图说明

图1为实施例1制得的金属封装陶瓷基体复合材料的结构示意图；

图2为实施例2制得的金属封装陶瓷基体复合材料的结构示意图；

图3为实施例3制得的金属封装陶瓷基体复合材料的结构示意图；

图4为实施例4制得的金属封装陶瓷基体复合材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种金属封装碳化硅陶瓷复合材料的制备工艺，其具体步骤如下：

(1)按照质量百分比铝粉：钛粉：冰晶石粉＝75％：20％：5％，用电子天平按照比例称取金属铝粉75g，金属钛粉20g，冰晶石粉末5g；

(2)将称好的粉料放入球磨机中进行机械搅拌混合，混合时间1h，得到金属混合粉末；

(3)将圆柱形的碳化硅陶瓷块体均匀整齐的排列在合适的模具中，陶瓷块体之间的间距为1mm；

(4)将制得的金属混合粉料加入到上述碳化硅陶瓷块体的间隙中，通过振动机将松装的粉料振实，得到复合材料预制体；

(5)将制得的预制体放入合适的石墨舟中，在真空烧结炉中进行烧结；烧结温度为750℃，烧结氛围为真空，真空度保持在0.1Pa～10Pa之间，保温时间为60min。烧结完毕后随炉冷却，得到金属封装碳化硅陶瓷的复合材料，其结构如图1所示，陶瓷基体1为圆形，金属材料2封装在陶瓷基体1之间的间隙中。

实施例2

一种金属封装碳化硼陶瓷复合材料的制备工艺，其具体步骤如下：

(1)按照质量百分比铝粉：钛粉：冰晶石粉＝65％：30％：5％，用电子天平按照比例称取金属铝粉65g，金属钛粉30g，冰晶石粉末5g；；

(3)将六边形的碳化硼陶瓷块体均匀整齐的排列在合适的模具中，陶瓷块体之间的间距为1.5mm；

(4)将制得的金属混合粉料加入到上一步中得到的碳化硼陶瓷块体的间隙中，通过振动机将松装的粉料振实，得到复合材料预制体；

(5)将制得的预制体放入合适的石墨舟中，在真空烧结炉中进行烧结；烧结温度为900℃，烧结氛围为真空，真空度保持在0.01Pa～1Pa之间，保温时间为45min。烧结完毕后随炉冷却，得到金属封装碳化硼陶瓷的复合材料，其结构如图2所示，陶瓷基体1为六边形，金属材料2封装在陶瓷基体1之间的间隙中。

实施例3

一种金属封装氧化铝陶瓷复合材料的制备工艺，其具体步骤如下：

(1)按照质量百分比铝粉：钛粉：冰晶石粉＝90％：5％：5％，用电子天平按照比例称取金属铝粉90g，金属钛粉5g，冰晶石粉末5g；

(3)将正方形的氧化铝陶瓷块体均匀整齐的排列在合适的模具中，陶瓷块体之间的间距为0.8mm；

(4)将制得的金属混合粉料加入到上一步中得到的氧化铝陶瓷块体的间隙中，通过振动机将松装的粉料振实，得到复合材料预制体；

(5)将制得的预制体放入合适的石墨舟中，在真空烧结炉中进行烧结；烧结温度为700℃，真空度保持在0.01Pa～1Pa之间，保温时间为20min。烧结完毕后随炉冷却，得到金属封装氧化铝陶瓷的复合材料，其结构如图3所示，陶瓷基体1为正方形，金属材料2封装在陶瓷基体1之间的间隙中。

实施例4

(1)按照质量百分比铝粉：钛粉：冰晶石粉＝73％：25％：2％，用电子天平按照比例称取金属铝粉90g，金属钛粉5g，冰晶石粉末5g；；

(3)将三角形的氧化铝陶瓷块体均匀整齐的排列在合适的模具中，陶瓷块体之间的间距为0.8mm；

(5)将制得的预制体放入合适的石墨舟中，在真空烧结炉中进行烧结；烧结温度为800℃，真空度保持在0.01Pa～1Pa之间，保温时间为40min。烧结完毕后随炉冷却，得到金属封装氧化铝陶瓷的复合材料，其结构如图3所示，陶瓷基体1为三角形，金属材料2封装在陶瓷基体1之间的间隙中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金属封装陶瓷基体复合材料，其特征在于，所述的复合材料由陶瓷基体和封装陶瓷基体的金属构成，所述的陶瓷基体被金属层所紧密包覆，所述的陶瓷基体为形状规则的陶瓷块体，封装陶瓷的金属由质量分数分别为65％～90％、5％～30％和2％～5％的金属铝粉、金属钛粉和冰晶石的混合粉末烧结而成。

2.根据权利要求1所述的一种金属封装陶瓷基体复合材料，其特征在于，所述的陶瓷基体的材质为氧化铝、碳化硅或碳化硼。

3.根据权利要求1所述的一种金属封装陶瓷基体复合材料，其特征在于，所述的陶瓷块体为三角形、矩形、圆形、椭圆形、五边形或六边形。

4.一种如权利要求1所述的金属封装陶瓷基体复合材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

第四步，将复合材料预制体放入真空烧结炉中进行烧结，烧结后随炉冷却，得到金属封装陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的一种金属封装陶瓷基体复合材料的制作方法，其特征在于，第四步所述的烧结过程中，真空度保持在10^-2Pa～10Pa之间，烧结温度700～900℃，烧结时间为10～60min。

6.一种如权利要求1所述的金属封装陶瓷基体复合材料的应用，其特征在于，所述的复合材料用于制作防弹用防护板、防弹衣或防弹插板。