CN108380892A - 一种陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法。该叠层材料包括陶瓷面板和与陶瓷面板叠放的高熵合金层，陶瓷面板和高熵合金层叠放的区域具有陶瓷金属界面层，陶瓷面板材料为氧化物、硼化物、氮化物、碳化物或硅化物中的一种单相陶瓷材料或者两种以上组合的复相陶瓷材料，高熵合金层由Co、Cr、Fe、Ni、Al、Mn、Mo、Ti、Cu、Zn、Si、Sn、W、Ga或Sr中的四种或四种以上元素形成。本发明制备的陶瓷/高熵合金叠层材料与传统的粘接方法制备的叠层结构材料相比，在相同的面密度下，抗高能冲击性能和抗二次冲击能力均大大提高。

Description

一种陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法。

背景技术

长期以来，防弹装甲主要是由金属制成，厚重的材料严重影响了使用者的机动性，因 此抗侵彻能力与质量之间的矛盾是装甲防护研究需要解决的重要课题。陶瓷作为密度较小 的材料，具有极高的硬度和抗压强度，以及良好的耐热性和抗氧化、抗腐蚀性能，且对射 流和高能装甲弹均具有良好的抗弹性能，防护系数大大高于标准均质装甲钢，因此适于作 装甲材料。

对于抗冲击陶瓷来说，弹丸侵彻过程中陶瓷能够使弹体钝化，降低了继续侵彻的能力， 且在陶瓷内形成了倒置的破碎锥，可以分散冲击载荷，在后续的弹丸侵彻过程中破碎锥提 供了主要的靶板阻力。但是，陶瓷的脆性和低抗拉强度使它们不能在碎裂过程中吸收大量 能量，而金属作为背板，可以约束、支撑陶瓷面板，使陶瓷面板受到冲击后具有“裂而不 碎”的功能，同时金属背板具有良好的韧性，受到冲击时可产生塑性变形吸收冲击能。因 此实际应用中，通常用陶瓷作面板与金属作背板结合成为复合装甲使用，两者之间用胶粘 剂粘接，能充分发挥两种材料各自的优点，利用陶瓷面板的高硬度和高弹性模量来满足装 甲要求的抗侵彻能力，利用金属背板的韧性及延展性来满足装甲要求的抗二次冲击能力。 然而，陶瓷与金属之间存在界面，而陶瓷与金属往往通过胶粘剂粘接起来，这种弱界面的 强度有限。复合装甲在弹丸侵彻冲击下，陶瓷面板容易发生崩裂、破碎，同时破碎的陶瓷飞溅，面板与背板分离，受损区域抗弹性能下降，界面处产生的反射波甚至会降低复合装甲的抗弹性能。所以，如何消除界面问题带来的影响也是需要研究的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法。该材料 可提高抗高能冲击和抗二次冲击能力。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案是：

一种陶瓷/高熵合金叠层材料，其包括陶瓷面板和与所述陶瓷面板叠放的高熵合金层， 所述陶瓷面板和高熵合金层叠放的区域具有陶瓷金属界面层，所述陶瓷面板材料为氧化物、 硼化物、氮化物、碳化物或硅化物中的一种单相陶瓷材料或者两种以上组合的复相陶瓷材 料，所述高熵合金层由Co、Cr、Fe、Ni、Al、Mn、Mo、Ti、Cu、Zn、Si、Sn、W、Ga 或Sr中的四种或四种以上元素形成。

上述方案中，所述高熵合金层的厚度为0.1mm～20mm。

上述方案中，所述陶瓷面板的陶瓷材料致密度为95％以上。

所述的陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

1)选取Co、Cr、Fe、Ni、Al、Mn、Mo、Ti、Cu、Zn、Si、Sn、W、Ga或Sr中的四 种或四种以上元素的粉末颗粒，采用行星球磨制备高熵合金粉末，其中每种元素的摩尔百 分比在0-35％之间；

2)将陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体，粉体厚度0.1mm～20mm，压实；

3)将模具放入烧结炉内，烧结气氛为真空或惰性气体，烧结压力为0～80MPa；保温时 间0～5小时，烧结温度800～1300℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层材料。

上述方案中，步骤1)中的球磨介质为不锈钢球或硬质合金球。

上述方案中，步骤1)中的球料质量比5：1～20：1。

上述方案中，步骤1)中的行星球磨机的转速为200～600转/小时，总球磨时间为20～100 小时。

上述方案中，步骤3)中的升温速率为5-2000℃/分钟。

本发明针对目前复合装甲面板与背板之间的弱界面问题，通过陶瓷面板和高熵合金粉 体的烧结来增强原子的相互扩散作用，形成中间过渡层，从而消除了两者之间的弱界面。 通过此方法制备出的陶瓷/高熵合金叠层材料，消除了界面对抗侵彻性能的影响，对抗高能 冲击和抗二次冲击性能的提高有很大帮助。

本发明具有以下有益效果：本发明提出的陶瓷/高熵合金叠层材料及其制备方法，将高 熵合金粉末和陶瓷面板通过烧结制成叠层材料，陶瓷面板是弹丸击中背板前破坏、侵蚀、 阻止或制约弹丸的有效材料，可以抗高能冲击，金属层可以使陶瓷层受到冲击后具有“裂 而不碎”的功能，同时金属背板具有良好的韧性，受到冲击时可产生较大的塑性变形来吸 收冲击能，可以提高材料的抗二次冲击能力。而陶瓷/高熵合金材料中金属与陶瓷之间界面 的存在会使材料抗二次冲击的能力大大减小，可通过陶瓷面板和高熵合金粉末一起烧结的 方法消除金属背板与陶瓷面板之间的弱界面，形成具有抗高能冲击和抗二次冲击能力的陶 瓷/高熵合金叠层材料。经实际检测，本发明制备的陶瓷/高熵合金叠层材料与传统的粘接 方法制备的叠层结构材料相比，在相同的面密度下，抗高能冲击性能提和抗二次冲击能力 大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法流程图。

图2为实施例3中的CoCrFeNiAl体系高熵合金粉末与二硼化钛陶瓷面板制成的陶瓷/ 高熵合金叠层材料的陶瓷-金属界面处的扫描电镜图像。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的 实施例，实施例不应视作对本发明的限定。

本发明提供一种陶瓷/高熵合金叠层材料，其包括陶瓷面板和与陶瓷面板叠放的高熵合 金层，陶瓷面板和高熵合金层叠放的区域具有陶瓷金属界面层(如图2所示)，陶瓷面板为 氧化物、硼化物、氮化物、碳化物或硅化物中的一种单相陶瓷材料或者两种以上组合的复 相陶瓷材料。高熵合金层由Co，Cr，Fe，Ni，Al，Mn，Mo，Ti，Cu，Zn，Si，Sn，W， Ga或Sr中的四种或四种以上元素构成。高熵合金层的厚度为0.1mm～20mm。陶瓷面板的 陶瓷材料致密度为95％以上。

本发明还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，下面以具体实施例来说明。

实施例1

高熵合金由Co，Cr，Fe，Ni四种元素构成。所述陶瓷面板为致密度95％以上的碳化硼陶瓷材料。

本实施例还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适体系的高熵合金粉末，采用行星球磨制备，其中金属单质按摩尔百 分比：Co，Cr，Fe，Ni以3:3:3:1的摩尔比混合，球磨介质为不锈钢球或硬质合金球，球 料质量比5：1，行星球磨机的转速为200转/小时，总球磨时间为20小时。

步骤2：将碳化硼陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体， 粉体厚度0.1mm，压实。

步骤3：将模具放入烧结炉内，烧结气氛为真空。升温速率5℃/分钟，烧结压力为 0～80MPa。保温时间0小时，烧结温度800℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层 材料。

实施例2

高熵合金由Co，Cr，Fe，Ni，Al，Mn五种元素构成。所述陶瓷面板为致密度95％以 上的碳化硼-二硼化钛复相陶瓷材料。

本实施例还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适体系的高熵合金粉末，采用行星球磨制备，其中金属单质按摩尔百 分比：Co，Cr，Fe，Ni，Al，Mn以35:20:20:10:15的摩尔比混合，球磨介质为不锈钢球或 硬质合金球，球料质量比20：1，行星球磨机的转速为600转/小时，总球磨时间为100小 时。

步骤2：将碳化硼-二硼化钛复相陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高 熵合金粉体，粉体厚度20mm，压实。

步骤3：将模具放入烧结炉内，烧结气氛为惰性气体。升温速率2000℃/分钟，烧结压 力为80MPa。保温时间5小时，烧结温度1300℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层材料。

实施例3

高熵合金由Co，Cr，Fe，Ni，Al五种元素构成。所述陶瓷面板为致密度95％以上的二硼化钛陶瓷材料。

本实施例还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适体系的高熵合金粉末，采用行星球磨制备，其中金属单质按摩尔百 分比：Co，Cr，Fe，Ni，Al以每种20％混合，球磨介质为不锈钢球或硬质合金球，球料质 量比10：1，行星球磨机的转速为400转/小时，总球磨时间为60小时。

步骤2：将二硼化钛陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体， 粉体厚度10mm，压实。

步骤3：将模具放入烧结炉内，烧结气氛为惰性气体。升温速率200℃/分钟，烧结压力为30MPa。保温时间2小时，烧结温度1000℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠 层材料。

实施例4

高熵合金由Co，Cr，Mo，Ti，Cu，Zn，Si，Sn，W，Ga，Sr十一种元素构成。所述 陶瓷面板为致密度95％以上的氧化铝-碳化硅复相陶瓷材料。

本实施例还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适体系的高熵合金粉末，采用行星球磨制备，其中金属单质按摩尔百 分比：Co，Cr，Mo，Ti，Cu，Zn，Si，Sn，W，Ga，Sr以10:10:10:10:10:10:10:10:10:5:5 摩尔比混合，球磨介质硬质合金球，球料质量比10：1，行星球磨机的转速为500转/小时， 总球磨时间为60小时。

步骤2：将陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体，粉体厚 度12mm，压实。

步骤3：将模具放入烧结炉内，烧结气氛为真空。升温速率200℃/分钟，烧结压力为30MPa。保温时间2小时，烧结温度1100℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层材 料。

实施例5

高熵合金由Ti，Cu，Zn，Si，Sn，W，Ga，Sr八种元素构成。所述陶瓷面板为致密度95％以上的氮化铝陶瓷材料。

本实施例还提供该陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适体系的高熵合金粉末，采用行星球磨制备，其中金属单质按摩尔百 分比：Ti，Cu，Zn，Si，Sn，W，Ga，Sr以20:10:20:10:10:10:10:10，球磨介质为不锈钢球，球料质量比8：1，行星球磨机的转速为300转/小时，总球磨时间为50小时。

步骤2：将陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体，粉体厚 度10mm，压实。

步骤3：将模具放入烧结炉内，烧结气氛为真空。升温速率500℃/分钟，烧结压力为50MPa。保温时间4小时，烧结温度1000℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层材 料。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在 本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形 式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种陶瓷/高熵合金叠层材料，其特征在于，其包括陶瓷面板和与所述陶瓷面板叠放的高熵合金层，所述陶瓷面板和高熵合金层叠放的区域具有陶瓷金属界面层，所述陶瓷面板材料为氧化物、硼化物、氮化物、碳化物或硅化物中的一种单相陶瓷材料或者两种以上组合的复相陶瓷材料，所述高熵合金层由Co、Cr、Fe、Ni、Al、Mn、Mo、Ti、Cu、Zn、Si、Sn、W、Ga或Sr中的四种或四种以上元素形成。

2.如权利要求1所述的陶瓷/高熵合金叠层材料，其特征在于，所述高熵合金层的厚度为0.1mm～20mm。

3.如权利要求1所述的陶瓷/高熵合金叠层材料，其特征在于，所述陶瓷面板的陶瓷材料致密度为95％以上。

4.如权利要求1至3任一项所述的陶瓷/高熵合金叠层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取Co、Cr、Fe、Ni、Al、Mn、Mo、Ti、Cu、Zn、Si、Sn、W、Ga或Sr中的四种或四种以上元素的粉末颗粒，采用行星球磨制备高熵合金粉末，其中每种元素的摩尔百分比在0-35％之间；

2)将陶瓷面板装入石墨模具，表面利用铺层法均匀铺放高熵合金粉体，粉体厚度0.1mm～20mm，压实；

3)将模具放入烧结炉内，烧结气氛为真空或惰性气体，烧结压力为0～80MPa；保温时间0～5小时，烧结温度800～1300℃，随炉冷却至室温，得到陶瓷/高熵合金叠层材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的球磨介质为不锈钢球或硬质合金球。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的球料质量比5：1～20：1。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的行星球磨机的转速为200～600转/小时，总球磨时间为20～100小时。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中的升温速率为5-2000℃/分钟。