CN107651962A - 一种碳化硼‑铝合金复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化硼‑铝合金复合板的制备方法，先制备出大厚度碳化硼陶瓷板，之后将陶瓷板与铝合金直接浇注，使铝合金在三维空间上对碳化硼陶瓷进行约束和固结，形成铝包裹碳化硼的一体结构材料。陶瓷板上均匀分布的止裂孔也有利于浇筑过程中液态铝的流动和贯通，使铝合金与碳化硼陶瓷的结合更加牢固。

Description

一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及碳化硼陶瓷装甲领域，尤其涉及一种碳化硼-铝合金复合装甲。
背景技术
防弹装甲材料日益朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成本的方向发展。传统金属防弹材料由于密度大，使得车辆、船舶和飞机不得不牺牲其有效载荷，同时过厚的装甲又降低了设备的操作灵活性，因此，轻质防弹材料已经成为目前的研究热点和发展趋势。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性优异、热膨胀系数小、密度低等优良的性能，并且陶瓷材料具备的吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的，其中B4C陶瓷的高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼）和低密度（2.52g/cm3），使其在防弹装甲域具有巨大的应用潜力。金属铝具有优良的塑性和韧性、易加工成型和密度较低（2.7g/cm3），而且原料来源广泛，价格便宜，与陶瓷材料复合后具有轻质、高强、高韧的特点。因此，将B4C陶瓷与金属铝相结合，形成碳化硼-铝合金复合装甲，扬长避短，发挥二者的性能优势，是制备高性能防弹装甲的一条有效的途径。
目前的抗弹陶瓷厚度一般小于30mm，主要用于防小口径弹种的攻击，对于更高等级的防护，要求复合装甲中的抗弹陶瓷有一定的厚度，尽管采用多层叠铺方式也可以实现陶瓷的大厚度要求，但由于尺寸效应其抗弹性能会相应下降;而采用大厚度整体抗弹陶瓷，可提高防护装甲抗击高能量打击的能力。B4C的熔点高达2350℃，纯B4C材料因其高共价键含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添加烧结助剂促进其烧结。B4C陶瓷的低韧性严重影响其抗弹性能。因此可以采取成分及结构复合的方式来提高B4C陶瓷的韧性。目前B4C陶瓷的制备主要是热压烧结、无压烧结、反应烧结三种工艺。其中反应烧结温度低，能够以净尺寸烧结，具有良好的应用前景。
目前，制备碳化硼陶瓷-铝合金复合材料通常是先制备出多孔碳化硼骨架，之后采用熔渗液态铝的方法，获得三维网络结构的碳化硼-铝复合材料，但该结构材料难以充分发挥碳化硼陶瓷的优异特性，也难以制备大尺寸制品。流延成型可用来成型大尺寸陶瓷制品，但通常适合于制备薄片制品，在制备大厚度产品方面有很大的局限性。
发明内容
本发明提供一种大厚度的碳化硼-铝合金复合板的制备方法，先制备出大厚度碳化硼陶瓷板，之后将陶瓷板与铝合金直接浇注，使铝合金在三维空间上对碳化硼陶瓷进行约束和固结，形成铝包裹碳化硼的一体结构材料。陶瓷板上均匀分布的止裂孔也有利于浇筑过程中液态铝的流动和贯通，使铝合金与碳化硼陶瓷的结合更加牢固具体包括以下实验步骤：
1)将球磨原料B4C粉和改性酚醛树脂在球磨机中球磨12-24小时，形成浆料；
2) 用造粒机将步骤1）得到的浆料进行造粒，驱动蠕动泵电机，将上述步骤1）中球磨好的浆料桶中的浆料通过泵输送到造粒机顶端的喷盘中，喷盘电机驱动系统驱动喷盘旋转，旋转的喷盘通过离心作用将浆料分散，鼓风机通过风口将分散的浆料吹至底部带有超声装置的水中，颗粒不溶于水而沉淀至底部；通过造粒机的出料口将颗粒和水分离；将得到的颗粒进行烘干得到造粒粉；
3)将上述得到的造粒粉在液压机中压制得到压坯，所述压坯密度控制在1.7-1.8 g/cm3，厚度60-80 mm；
4) 然后将压坯在网带炉中加热，改性酚醛树脂分解并产生包覆碳源，得到素坯；
5)用钻床在素坯上加工通孔，得到坯件，所述通孔的孔径为3-5mm；
6)将坯件经真空烧结炉中烧结，真空度≤10Pa，将硅饼置于坯件上层，得到带有通孔的碳化硼陶瓷板；
7)将带有通孔的碳化硼陶瓷板在烘箱内预热，然后取出放置在模具内；待铝合金在熔炼炉中完全熔化后浇铸于陶瓷板周围，熔融铝合金凝固，形成铝合金包裹碳化硼陶瓷结构。
作为优选，所述步骤1）中球磨原料还包括PVA，甘油，PEG，无水乙醇；所述B4C粉和改性酚醛树脂的重量比为10:1-13:1。
作为优选，所述步骤1）中的B4C包括三种粒度的粉末级配，一种B4C粉平均粒度8-10微米，质量占B4C总质量的50%；另一种B4C粉平均粒度20-25微米，质量占B4C总质量的30%；第三种B4C粉平均粒度2-4微米，质量占B4C总质量的20%。
作为优选，所述步骤2）中颗粒的烘干温度为100-110℃。
作为优选，所述步骤4）中网带炉中压坯最高分解温度820-850℃，网带速率80-90mm/min。。
作为优选，所述步骤1）中球磨原料按重量计包括B4C 80份，改性酚醛树脂7份，PVA0.8份，PEG 0.4份，无水乙醇90份。
作为优选，所述步骤1）中还含有碳化硅球，所述碳化硅球与球磨原料的重量比为2: 1。
作为优选，所述步骤6）中最高烧结温度为1550-1600℃，保温1-2h；硅饼重量与坯件重量比例为1.3:1.。
作为优选，所述步骤7）铝合金水的用量根据产品浇注尺寸计算。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在碳化硼陶瓷素坯上加工均匀分布的止裂孔，精确设计止裂孔的尺寸和位置分布。止裂孔的存在有三方面的作用：第一点是有利于压坯内应力的释放，消除应力集中，防止产品开裂和变形；第二点是有利于烧结过程中内部挥发性产物的排出，增强毛细管作用力，有利于真空熔渗时液硅渗入碳化硼素坯内部，解决大厚度陶瓷液硅熔渗困难的问题，改善产品密度分布的均匀性；第三点也是最重要的一点，当防弹装甲受到弹头冲击时，止裂孔的存在能有效消除裂纹尖端的应力集中，阻止陶瓷材料中裂纹的扩展，将陶瓷的破碎范围限制在较小的区域面积内，避免整块陶瓷板的崩溃，有效提高防弹装甲承受密集冲击的能力；
将碳化硼陶瓷板用铝合金浇注，形成铝合金四面包覆碳化硼的整体结构。该技术的优点：一是工艺成熟，工序简单，能够浇注复杂形状和净近成形产品；二是能够最大限度地保持陶瓷和铝合金的各自特性，充分发挥碳化硼陶瓷高硬度和铝合金高塑性高韧性的优点；三是铝合金对陶瓷板的三维约束结构能有效减缓碳化硼陶瓷脆性对材料的不利影响；四是均匀分布的止裂孔有利于液态铝的流动贯穿，使陶瓷和铝合金的结合更牢固，提高其抗冲击性能；五是使低密度的碳化硼陶瓷和低密度的金属铝结合成一体结构，为制备低密度复合防弹装甲开拓了新的途径。
附图说明
图1为本发明提供的造粒机的结构简易图；
图2为本发明提供的大厚度碳化硼-铝合金复合板制备方法中素坯结构示意图；
图3为本发明提供的大厚度碳化硼-铝合金复合板的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
步骤1：碳化硼陶瓷板的制备
a. 将一定比例的B4C粉和改性酚醛树脂等原料在球磨机中球磨12-24小时，形成浆料，原料配方：B4C质量80kg，改性酚醛树脂7kg，PVA800g，PEG400g，无水乙醇90kg；B4C由三种粒度的粉末级配而成，一种B4C粉平均粒度8-10微米，质量占B4C总质量的45%；另一种B4C粉平均粒度20-25微米，质量占B4C总质量的35%；第三种B4C粉平均粒度2-4微米，质量占B4C总质量的20%；球磨介质为碳化硅球，球料重量比为2: 1;
b用自制造粒机进行造粒，造粒机为本申请的发明人自制的造粒机，具体造粒机的结构如图1所示，包括浆料桶1，蠕动泵电机，蠕动泵2，喷盘3，喷盘电机，造粒机桶4，超声装置6，出料口7，所述浆料桶1与蠕动泵2连通，所述蠕动泵2与喷盘3连通，所述喷盘3与造粒机桶4连通，所述造粒机桶4与超声装置6连通，所述喷盘设有风口，其中所述风口可以为沿喷盘中心轴线上周围开设的通孔。所述风口与鼓风机连接，所述超声装置内通入去离子水5。所述造粒机的具体工作步骤为：1）将喷盘3转速设定为300转/分钟，超声装置的频率设定为40-60 KHz；驱动蠕动泵电机，将上述步骤1）中球磨好的浆料桶中的浆料通过蠕动泵2输送到造粒机顶端的喷盘3中，喷盘电机驱动系统驱动喷盘3旋转，旋转的喷盘3通过离心作用将浆料分散，鼓风机通过风口将分散的浆料吹至底部带有超声装置6的水中，颗粒不溶于水而沉淀至底部，这样，酚醛树脂就很好的均匀地包覆在B4C表面；雾化结束后通过造粒机的出料口7将颗粒和水分离，将得到的颗粒烘干，干燥温度为100-110℃，烘干后得到造粒粉。
c．将造粒粉在液压机中压制得到压坯，压坯密度控制在1.7-1.8g/cm3，厚度60-80mm；
d.将压坯在烘箱中加热烘干，烘干温度120℃，得到素坯。
步骤2：止裂通孔的加工以及真空烧结
用钻床在素坯12上加工止裂通孔13；如图2所示，所述通孔轴向贯穿素坯12的上下表面；所述通孔的孔径为3-5mm；优选为4mm；所述通孔13在重点防弹区域121内均匀分布呈三维网格排列，所述重点防弹区域为素坯的中部区域，如图2所示，素坯为320mm，最边缘的通孔距离素坯边缘为50mm；通孔13的连接线呈一个排列整齐的网格，通孔均匀分布，相邻通孔的距离为50mm。
将钻完孔的素坯放入真空炉进行烧结，其中素坯上方放置硅饼，硅饼重量与坯件重量比例为1.3:1；真空度≤10Pa；最高烧结1550-1600℃，保温1-2h。烧结后将碳化硼陶瓷板表面处理干净，通孔保证贯通。
步骤3：铝合金浇注陶瓷板
首先根据碳化硼陶瓷板的尺寸预制一定形状的模具，将待浇注的陶瓷板在400℃烘箱内预热1小时，然后取出放置在模具内，然后熔炼炉升温至一定温度，待铝合金完全熔化后浇铸于陶瓷块周围，熔融铝合金凝固后即实现金属对陶瓷材料的封装，形成铝合金包裹碳化硼陶瓷的整体结构。即本发明提供的大厚度碳化硼-铝合金复合板；铝水的用量根据产品浇注尺寸计算，浇注尺寸如图3所示。铝合金为ZL104铝合金。
如图3所示，按照上述实施例得到本发明的大厚度碳化硼-铝合金复合板，铝合金包裹层封装包覆在大厚度的碳化硼陶瓷表面，所述铝合金包裹层的厚度为30mm，所述碳化硼陶瓷板的厚度为60mm。铝合金包裹层包覆在碳化硼陶瓷板的表面，其中碳化硼陶瓷板轴向上表面上包覆的铝合金包裹层厚度为30mm，而碳化硼陶瓷板轴向下表面上包覆的铝合金包裹层厚度为10mm；其中碳化硼陶瓷板为长度和宽度均为320mm；且外围包裹的铝合金包裹层的长度和宽度均为20mm。
实施例2
本实施例与实施1实验步骤相同，唯一不同的是将实施例1步骤1）中碳化硼陶瓷板的制备方法中步骤d）替换为：将压坯置于网带炉中加热，酚醛树脂分解并产生包覆碳源，得到坯体，网带炉中压坯最高分解温度820-850℃，，网带速率80-90 mm/min。
本公司采用自主创新的反应烧结工艺，对碳化硼粉末进行碳源包覆，通过添加粘结剂，使压坯强度明显提高，在烘干工序后即可在素坯上加工止裂孔。该工艺使烧结过程中硅相对碳化硼颗粒的溶解降低，提高了陶瓷产品的力学性能，烧结后显微硬度、抗弯强度和断裂韧性分别提高了20%，35%和36%。
实施例3
本实施例与实施例1的实验步骤相同，唯一的不同是实施例1步骤1）中碳化硼陶瓷板的制备方法；本领域技术人员公知多种可以制备得到素坯的多种方法，如采用常规的球磨原料，造粒机以及压坯技术，只要控制将造粒粉压制呈成厚度为60-80mm的压坯，即可实现本发明的目的。
陶瓷材料的脆性使其作为防弹材料时抗多发弹能力差，遭受弹头冲击后极易造成整体破碎，结构解体，无法对后续打击继续进行防护，因此，必须设法降低碳化硼陶瓷的脆性，阻止材料中裂纹的扩展，使其在受到弹头的冲击时只是局部破碎，而不会导致整块陶瓷的崩溃，其余部分仍能对后续打击进行防护。通过在碳化硼陶瓷板上加工适当尺寸的孔，形成均匀分布的止裂孔，减缓和阻止陶瓷裂纹的扩展，能有效提高陶瓷装甲承受多弹打击的能力，避免陶瓷整体的破碎。
实施例4
以实施例1得到的外围包裹的铝合金包裹层为例，对其进行防弹测试；将其10mm厚度的铝合金层为迎弹面，同时发挥止裂层的作用，背部30mm的铝合金层可作为吸能层作用，弹头碎屑及破裂陶瓷的残余动能被铝合金弹性及塑性形变所吸收。结果表明，该复合板可有效防御30mm口径以上武器的攻击。因此该大厚度碳化硼-铝合金复合板重要防御30mm口径以上武器的攻击。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：该复合板的制备方法包括以下步骤：
1) 将球磨原料B4C粉和改性酚醛树脂在球磨机中球磨12-24小时，形成浆料；
2) 用造粒机将步骤1）得到的浆料进行造粒，驱动蠕动泵电机，将上述步骤1）中球磨好的浆料桶中的浆料通过泵输送到造粒机顶端的喷盘中，喷盘电机驱动系统驱动喷盘旋转，旋转的喷盘通过离心作用将浆料分散，鼓风机通过风口将分散的浆料吹至底部带有超声装置的水中，颗粒不溶于水而沉淀至底部；通过造粒机的出料口将颗粒和水分离；将得到的颗粒进行烘干得到造粒粉；
3) 将上述得到的造粒粉在液压机中压制得到压坯，所述压坯密度控制在1.7-1.8 g/cm3，厚度60-80 mm；
4) 然后将压坯在网带炉中加热，改性酚醛树脂分解并产生包覆碳源，得到素坯；
5) 用钻床在素坯上加工通孔，得到坯件，所述通孔的孔径为3-5mm；
6) 将坯件经真空烧结炉中烧结，真空度≤10Pa，将硅饼置于坯件上层，得到带有通孔的碳化硼陶瓷板；
7) 将带有通孔的碳化硼陶瓷板在烘箱内预热，然后取出放置在模具内；待铝合金在熔炼炉中完全熔化呈铝合金水后浇铸于陶瓷板周围，熔融铝合金凝固，形成铝合金包裹碳化硼陶瓷结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中球磨原料还包括PVA，甘油，PEG，无水乙醇；所述B4C粉和改性酚醛树脂的重量比为10:1-13:1。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的B4C包括三种粒度的粉末级配，一种B4C粉平均粒度8-10微米，质量占B4C总质量的50%；另一种B4C粉平均粒度20-25微米，质量占B4C总质量的30%；第三种B4C粉平均粒度2-4微米，质量占B4C总质量的20%。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤7）中，将陶瓷板在400℃烘箱内预热1小时后放置在模具内。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中颗粒的烘干温度为100-110℃。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中网带炉中压坯最高分解温度820-850℃，网带速率80-90 mm/min。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中球磨原料按重量计包括B4C 80份，改性酚醛树脂7份，PVA 0.8份，PEG 0.4份，无水乙醇90份。
8.根据权利要求1所述的一种大厚度碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中还含有碳化硅球，所述碳化硅球与球磨原料的重量比为2: 1。
9.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中最高烧结温度为1550-1600℃，保温1-2h；硅饼重量与坯件重量比例为1.3:1。
10.根据权利要求1所述的一种碳化硼-铝合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤7）铝合金水的用量根据产品浇注尺寸计算。
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