CN104964608B - 一种带连续梯度增强相的装甲板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种带连续梯度增强相的装甲板及其制备方法，该装甲板中的增强相和基体材料分别装载于喷射成型设备的两个独立的喷射源中，在惰性气体保护下对沉积板加热升温后，通过两个雾化喷嘴同时向沉积板喷射增强相和基体材料，通过控制两个喷嘴的大小调节出料速率获得增强相含量呈连续梯度分布的复合材料，随后对其进行热挤压获得梯度轻质装甲板。其中，增强相为石墨烯与碳化硅、碳化硼中的一种或两种混合物，基体材料为5083高强度铝合金。本发明利用喷射成型获得的材料具有晶粒细小、组织均匀、界面结合良好等优点，从而得到的装甲板具有更高的强度和抗弹性能，可针对不同防护要求的装甲进行灵活设计，且方法简单易行。

Description

一种带连续梯度增强相的装甲板及其制备方法

技术领域

本发明是一种带连续梯度增强相的装甲板及其制备方法，

涉及一种轻型装甲板，具体地说是一种连续梯度轻质装甲板的制备方法，属于轻质装甲防护材料领域。

背景技术

装甲防护技术是武器装备系统生存能力之中最重要的组成部分，任何一项现代武器装备都离不开防护。优良的装甲防护系统能够使战机、坦克、装甲车及其它结构的主体及其中的人员安全得到更好的保护。装甲防护有多种类型，目前较为先进的单元为“三明治”结构，是由两块面板和一块中间夹层材料组成。面板可以选择钢、钛合金、铝合金、复合材料等，而中间夹层材料可以选择陶瓷、金属泡沫、橡胶、塑料等。这类装甲防护通过结构变形吸收爆炸和来袭子弹或弹片的冲击能量，但是其重量较大，且抵御子弹或弹片的能力有限，而探索轻质且具备高效防护性能的防护结构是装甲防护的终极目标。

陶瓷-金属复合的梯度材料同时具备陶瓷的高硬度和金属的强韧性而被用于装甲材料，但是目前的梯度材料多是不同陶瓷含量的复合板层状叠加的简单复合，板层界面之间容易发生破坏。

喷射成形技术是一项新兴的技术，该技术具有快速凝固的特点，可制备常规工艺难以制备的高合金或超高合金材料，快速凝固促进了金属组织细化、消除了宏观偏析，材料晶粒细小、组织均匀，从而大幅度地提高了合金性能。采用喷射成形技术既能克服了传统的冶金铸造过程带来的缺陷，又可免除复合板材板层界面之间容易发生破坏的问题。中国专利200410039057.9将纯Si、Al原材料放入中频感应电炉中升温熔化，浇铸成中间合金锭，然后采用喷射成形技术制备Al-Si合金，提供一种低热膨胀系数、高热传导率、低密度和可加工的高硅铝合金的制备方法，广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其他相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

随着现代技术的发展，对装甲板材性能提出了更高的要求，目前采用的普通工艺的陶瓷-金属复合材料已经很难达到要求。针对装甲板作为防弹装甲材料，其面层需要高强度耐冲击性能，而芯部需要高阻尼性能吸收能量，需要一种连续梯度分布材料才能满足上述要求。

目前，采用物理、化学气相沉积法(PVD、CVD法)、粒子排列法等方法制备的梯度材料为连续分布梯度材料，但是由于制备工艺的限制，所获得的梯度材料只有几十微米厚，满足不了实际装甲板的应用要求。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种连续梯度轻质装甲板的制备方法，其目的是提供一种新型结构的连续梯度轻质装甲板，并设计了通过采用双喷射源，精确控制喷射速率的方式，实现对该种装甲板喷射成形。使该种装甲板的带增强相梯度层的厚度大幅增加，获得具有更高强度和韧性的装甲板，提高了抗弹性能。

本发明的目的是通过下技术方案来实现的：

本发明提供了一种带连续梯度增强相的装甲板，其特征在于：该装甲板的基体材料为强度超过150MPa的铝合金，从装甲板的外表面向内40mm～100mm的垂直深度范围内，掺杂石墨烯与陶瓷的混合物，石墨烯与陶瓷的混合物在所述垂直深度范围内，从装甲板的外表面向内的浓度呈连续变化，逐渐减小，变化数值范围为80％～0％，浓度是指在所述垂直深度范围内某一位置处的平面内，石墨烯与陶瓷混合物的重量占该平面内总重量的百分比，该平面与所述垂直深度的方向相垂直；

石墨烯与陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～10％。

装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金。

石墨烯与陶瓷混合物中的陶瓷为碳化硅、碳化硼中的一种或两种的混合物。

本发明技术方案还提供了所述带连续梯度增强相的装甲板的方法，其特征在于：该方法的步骤为：

⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵按石墨烯与陶瓷的重量百分关系称取陶瓷粉末，将陶瓷粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与陶瓷的混合物；

⑸将待沉积板表面清理干净，然后放入喷射成型设备中，在惰性气体保护下加热升温至500～550℃；

⑹将石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉末分别装入喷射成型设备的两个坩埚中，石墨烯与陶瓷的混合物在坩埚中的装料高度为150～250mm，铝合金粉末在坩埚中的装料高度为200～300mm，将石墨烯与陶瓷的混合物加热到400～500℃并保温，将铝合金粉末加热到700～750℃并保温；

⑺石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉末熔体分别经由坩埚上的雾化嘴流入雾化器，经高压惰性气体雾化后同时向沉积板表面喷射沉积，装有石墨烯与陶瓷混合物的坩埚上的雾化嘴的直径从0mm至2mm以0.05/min～1mm/min的速度缓慢的打开，装有铝合金粉末熔体的坩埚上的雾化嘴的直径从2mm至0.4mm以0.05mm/min～1mm/min的速度缓慢的闭合，两个雾化嘴的喷射速度均为1～2m/s；

⑻喷射完成后，待沉积板完全冷却，从沉积板上取下冷却后的连续梯度材料，放入压机中进行热挤压，热挤压温度为400℃～450℃，压力为10MPa，得到了带连续梯度增强相的装甲板。

研究分析表明，用于防弹装甲的材料需同时具备高的耐冲击性能良好的阻尼减震性能，传统材料已经很难达到同时具备上述两种性能。大量的试验研究表明，只有连续梯度复合材料才能很好的达到同时具备上述性能，本发明旨在制备一种这样的新型增强相连续梯度材料，使得装甲材料从表面到内部，强度性能逐渐下降，阻尼性能逐渐提高，满足防弹装甲材料的性能要求。

本发明是一种无界面的石墨烯/陶瓷-金属连续梯度装甲板，石墨烯与陶瓷增强相在金属内部成连续梯度分布状态，石墨烯与陶瓷的混合物的含量在基材中，从0％～80％，成一种无界面的连续梯度分布，使材料在承受冲击时不易发生层裂破坏。

本发明利用石墨烯粉和陶瓷颗粒共同增强5083高强度铝合金的方法制备了轻质高强度板，通过球磨使石墨烯粉均匀分散在陶瓷颗粒上，解决了石墨烯的分散问题及石墨烯轻质不易喷射的问题，采用双坩埚双喷嘴喷射成形技术控制增强体颗粒和铝熔体各自的喷射速度获得了增强体含量呈连续梯度分布的复合材料，把增强相和基体材料分别放置于两个独立的喷射源中，通过调节两个喷射嘴的大小和控制两个喷射源的出料速率获得增强相含量呈连续梯度分布的复合材料，该种控制增强体颗粒含量的方法简单易行，成型的装甲板在承受弹丸冲击时表现出很好的抗侵彻和抗冲击能力，并且由于材料内部无界面，承受冲击时不易发生层裂破坏。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例

制备带连续梯度增强相的装甲板，装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金，增强相为石墨烯与碳化硅的混合物，石墨烯在混合物中的重量百分比为0.5％。从装甲板的外表面向内40mm的垂直深度范围内，掺杂石墨烯与陶瓷的混合物，石墨烯与陶瓷的混合物在所述垂直深度范围内，从装甲板的外表面向内的浓度呈连续变化，逐渐减小，变化数值范围为80％～0％，浓度是指在所述垂直深度范围内某一位置处的平面内，石墨烯与陶瓷混合物的重量占该平面内总重量的百分比，该平面与所述垂直深度的方向相垂直。

制备所述带连续梯度增强相的装甲板的步骤为：

⑴将5g石墨烯加入到1000ml酒精溶液中，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵称取1000g碳化硅粉末，将碳化硅粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与碳化硅的混合物；

⑸将待沉积板表面清理干净，然后放入喷射成型设备中，在氮气体保护下加热升温至550℃；

⑹将石墨烯与碳化硅的混合物和铝合金粉末分别装入喷射成型设备的两个坩埚中，石墨烯与陶瓷的混合物在坩埚中的装料高度为150mm，铝合金粉末在坩埚中的装料高度为200mm，将石墨烯与陶瓷的混合物加热到450℃并保温，将铝合金粉末加热到750℃并保温；

⑺石墨烯与碳化硅的混合物和铝合金粉末熔体分别经由坩埚上的雾化嘴流入雾化器，经高压氮气雾化后同时向沉积板表面喷射沉积，高压氮气气体压力为2～10atm。装有石墨烯与陶瓷混合物的坩埚上的雾化嘴的直径从0mm至2mm以0.1/min的速度缓慢的打开，装有铝合金粉末熔体的坩埚上的雾化嘴的直径从2mm至0.4mm以0.1mm/min～1mm/min的速度缓慢的闭合，两个雾化嘴的喷射速度均为2m/s；

⑻喷射完成后，待沉积板完全冷却，从沉积板上取下冷却后的连续梯度材料，放入压机中进行热挤压，热挤压温度为450℃，压力为10MPa，得到了带连续梯度增强相的装甲板。

Claims (4)

1.一种带连续梯度增强相的装甲板，该装甲板的基体材料为强度超过150MPa的铝合金，其特征在于：从装甲板的外表面向内40mm～100mm的垂直深度范围内，掺杂石墨烯与陶瓷的混合物，石墨烯与陶瓷的混合物在所述垂直深度范围内，从装甲板的外表面向内的浓度呈连续变化，逐渐减小，变化数值范围为80％～0％，浓度是指在所述垂直深度范围内某一位置处的平面内，石墨烯与陶瓷混合物的重量占该平面内总重量的百分比，该平面与所述垂直深度的方向相垂直；

石墨烯与陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～10％。

2.根据权利要求1所述的带连续梯度增强相的装甲板，其特征在于：装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金。

3.根据权利要求1所述的带连续梯度增强相的装甲板，其特征在于：石墨烯与陶瓷混合物中的陶瓷为碳化硅、碳化硼中的一种或两种的混合物。

4.制备权利要求1所述带连续梯度增强相的装甲板的方法，其特征在于：该方法的步骤为：

⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵按石墨烯与陶瓷的重量百分关系称取陶瓷粉末，将陶瓷粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与陶瓷的混合物；

⑸将待沉积板表面清理干净，然后放入喷射成型设备中，在惰性气体保护下加热升温至500～550℃；

⑹将石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉末分别装入喷射成型设备的两个坩埚中，石墨烯与陶瓷的混合物在坩埚中的装料高度为150～250mm，铝合金粉末在坩埚中的装料高度为200～300mm，将石墨烯与陶瓷的混合物加热到400～500℃并保温，将铝合金粉末加热到700～750℃并保温；

⑺石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉末熔体分别经由坩埚上的雾化嘴流入雾化器，经高压惰性气体雾化后同时向沉积板表面喷射沉积，装有石墨烯与陶瓷混合物的坩埚上的雾化嘴的直径从0mm至2mm以0.05/min～1mm/min的速度缓慢的打开，装有铝合金粉末熔体的坩埚上的雾化嘴的直径从2mm至0.4mm以0.05mm/min～1mm/min的速度缓慢的闭合，两个雾化嘴的喷射速度均为1～2m/s；

⑻喷射完成后，待沉积板完全冷却，从沉积板上取下冷却后的连续梯度材料，放入压机中进行热挤压，热挤压温度为400℃～450℃，压力为10MPa，得到了带连续梯度增强相的装甲板。