CN108871073B - 一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法 - Google Patents

一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TC4‑Al3Ti‑TC4‑陶瓷叠层复合装甲及其制备方法，其特征在于：将陶瓷（以B4C、SiC、Si3N4为典型实施例）引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲。首先采用真空热压烧结工艺制备TC4‑Al3Ti‑TC4叠层材料，然后采用环氧树脂混合剂将TC4‑Al3Ti‑TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，制备出TC4‑Al3Ti‑TC4‑陶瓷叠层复合装甲。本发明旨在提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲抗侵彻性能并降低其质量。将陶瓷引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲中，陶瓷硬度远高于标准穿甲弹弹丸硬度，进而提高复合装甲的抗侵彻能力。此外，陶瓷材料密度远低于钛合金密度，故而能降低复合装甲的面密度，减轻复合装甲重量，提高装甲车辆和直升机的机动性能。

Description

一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法
技术领域
本发明属于装甲防护领域，具体涉及一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法。
背景技术
金属间化合物硬度高、密度小、杨氏模量大适用于做防弹材料，而且实验证明，厚度适当的多层叠合靶抗弹性能高于单层均质板，防护系数可提高0.20以上。上世纪九十年代，科学家提出了金属间化合物叠层复合装甲，该类金属间化合物叠层复合装甲由韧性金属和脆性金属间化合物交替叠加组成，如Ti-Al3Ti金属间化合物叠层复合装甲。该叠层复合装甲是由韧性金属钛和脆性金属间化合物Al3Ti组成。对Ti-Al3Ti复合材料进行弹道冲击实验，研究结果表明Ti-Al3Ti复合装甲防护性能与装甲钢类似。值得注意的是Ti-Al3Ti（密度约为3.26g/cm3、维氏硬度为5.5GPa左右）金属间化合物叠层复合装甲的性能参数对于装甲防护而言尚且不是最佳，其硬度低于标准穿甲弹弹丸的硬度（维氏硬度为8GPa左右）。故而其抗侵彻能力具有一定的局限性。
20世纪60年代越南战场上,美国首次使用Al2O3/Al陶瓷复合装甲。之后,美国陆军实验室Mark Wilkins等人对陶瓷/金属(或树脂基复合材料)轻质复合装甲进行了深入研究,坚硬的陶瓷面板可以起到击碎或钝化弹丸的作用,韧性金属背板则发生变形以吸收弹丸和面板碎片的残余动能,从而有效抵抗弹丸侵彻。由此可见陶瓷/金属(或树脂基复合材料)轻质复合装甲在抗侵彻方面具有极大的优势。
发明内容
本发明旨在提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲抗侵彻性能并降低其质量。
本发明所述的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，使用环氧树脂混合剂将真空热压烧结制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷板材依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出所述金属/金属间化合物/金属/陶瓷叠层复合装甲。
本发明所述TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，是在钛铝叠层复合材料密度较高、硬度较低的基础上，基于陶瓷低密度、高硬度的性能和叠层复合材料特有的失效机理，将陶瓷层引入了钛铝金属间化合物叠层复合装甲。即使用环氧树脂混合剂将采用真空热压烧结工艺制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。
进一步的，所述环氧树脂混合剂是将环氧树脂E51（618）与固化剂593按照重量比100：35的比例混合，搅拌均匀后立即使用。所述环氧树脂混合剂具有粘结强度高、韧性好、使用方便等特征。
本发明所述的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲的制备方法，包括如下步骤：
第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料：
（1）制样：将厚度比约为2:3:4的TC4箔、Al箔和陶瓷板材裁剪成大小相同的尺寸，其中TC4箔个数为Al箔的两倍，陶瓷板材比Al箔少一个；将所裁TC4箔放入酸溶液中处理，将所裁Al箔放入NaOH溶液中处理，以除去二者表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种箔材超声波清洗，最后将三种材料烘干备用；
（2）叠放并包套：将步骤（1）所得两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用厚度为0.05mm的钛箔包套处理，得到一个包套体；按照上述方法可制成多个包套体；
（3）真空热压烧结：将所得一个或多个包套体置于石墨模具中按照如下工艺真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料，多个包套体之间上下交叠放置且可用石墨垫片隔开：
①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；
②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5MPa；
③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；
④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa；
第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料与陶瓷板材并包套处理：
将第一步（1）中的陶瓷正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料-陶瓷-TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。
本发明所述的各个步骤以及各步骤所采用的工艺及其参数，均对最终产物的性质起到了非常重要的作用。其中将陶瓷正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂混合剂（将环氧树脂E51（618）与固化剂593按照重量比100：35的比例混合制得）后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料-陶瓷-TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”，该特征使得钛铝金属间化合物与陶瓷交替堆叠，在受到弹丸打击时二者可多次交替作用，更好的提高所述复合装甲的抗侵彻能力。此外，环氧树脂混合剂使得TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料粘结为一个整体，因此装甲结构稳固，能更好的抵抗打击。
进一步的，综合陶瓷的密度和维氏硬度等性能参数，本发明选用B4C（密度为2.45~2.52g/cm3、维氏硬度为29~35GPa）、SiC（密度为3.10~3.20g/cm3、维氏硬度为22~23GPa）、Si3N4（密度为3.20~3.45g/cm3、维氏硬度为16~19GPa）陶瓷作为陶瓷板材。该类型陶瓷相比Al3Ti（密度约为3.26g/cm3、维氏硬度为5.5GPa左右）具有密度低，硬度高、抗压强度好等特性。由于现有标准穿甲弹的钨合金弹心维氏硬度约为8GPa,远低于上述陶瓷硬度，故而该特征使得所述复合装甲在抵抗弹丸侵彻时，可以综合利用陶瓷和钛铝金属间化合物的高硬度性能消耗弹丸动能，因此相较于现有钛铝金属间化合物叠层复合装甲能更好的抵抗弹丸侵彻；此外，由于所述陶瓷密度低于钛合金密度，故而能减轻复合装甲质量，提高装甲车或直升机的机动性能。
取适量环氧树脂混合剂均匀涂抹于所述的“粘结体”各个表面，此后采用厚度为0.05mm的钛箔进行整体包套并静置2~4小时待环氧树脂混合剂固化制得所述一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，该特征采用钛箔对整体进行包套处理，一定程度上对中间陶瓷进行了约束，同时也使得整块复合装甲结构更加完整稳固，可提高其抗弹性能。
本发明所述的复合装甲将高硬度、低密度的陶瓷层引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲中，即使用环氧树脂混合剂将采用真空热压烧结工艺制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。该设计利用陶瓷的低密度和高于标准穿甲弹弹丸硬度（维氏硬度约为8GPa）的性能，将硬度高的陶瓷、钛铝金属间化合物与具有韧性的金属钛材料结合，在受到弹丸打击时，两类材料结合且多次作用，能较好的消耗并吸收弹丸动能，从而提高复合装甲的抗侵彻能力；同时，由于所选陶瓷的密度低于钛铝合金密度，降低了装甲板的重量，能提高装甲车和直升机的机动性能。
附图说明
图1为TC4-Al3Ti-TC4叠层材料制备装置示意图。
图2为TC4-Al3Ti-TC4叠层材料热压制备工艺图。
图3为TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲结构示意图。
图4为钛铝金属间化合物叠层复合装甲与TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲有限元模拟弹道侵彻效果对比图
其中：1、右垫片 ，2、上压头，3、左垫片，4、外模套，
5、上垫块， 6、包套用钛箔， 7、试件，8、下垫块，
9、底板，10、TC4层，11、Al层，12、陶瓷层，
13、Al3Ti层，14、钛铝复合材料，15、粘结体，
16、TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的介绍。
实施例一：以B4C作为中间陶瓷制备TC4-Al3Ti-TC4-B4C叠层复合装甲：
第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
（1）制样：将厚度比约为2:3:4的TC4箔、Al箔和B4C板材（优选的TC4箔厚度为0.8mm）裁剪成相同尺寸，其中TC4箔个数为Al箔的两倍，B4C板材比Al箔少一个；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5％浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种材料超声波清洗5min，最后将三种材料烘干备用。
（2）叠放并包套：将步骤（1）所得两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用厚度为0.05mm的钛箔包套处理。
（3）真空热压烧结：将所得包套体置于石墨模具（图1）中（可一次制备多个所述钛铝复合材料，中间用石墨垫片隔开即可）按照如下工艺（图2）真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；
②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5Mpa；
③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；
④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa。
第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与B4C板材并包套处理：
将第一步（1）中的B4C正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂E51（618）和固化剂593按照重量比100：35的比例混合而成的混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层材料-B4C-TC4-Al3Ti-TC4叠层材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用厚度为0.05mm的钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-B4C叠层复合装甲（图3）。
实施例二：本实施例与实施例一的不同点在于，以SiC作为中间陶瓷制备TC4-Al3Ti-TC4-SiC叠层复合装甲：
第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
（1）制样：将厚度比约为2:3:4的TC4箔、Al箔和SiC板材裁剪成相同尺寸（优选的TC4箔厚度为0.8mm），其中TC4箔个数为Al箔的两倍，SiC板材比Al箔少一个；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5％浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种材料超声波清洗5min，最后将三种材料烘干备用。
（2）叠放并包套：将步骤（1）所得两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用厚度为0.05mm的钛箔包套处理。
（3）真空热压烧结：将所得包套体置于石墨模具（图1）中（可一次制备多个所述钛铝复合材料，中间用石墨垫片隔开即可）按照如下工艺（图2）真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；
②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5Mpa；
③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；
④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa。
第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与SiC板材并包套处理：
将第一步（1）中的SiC正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂E51（618）和固化剂593按照重量比100：35的比例混合而成的混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层材料-SiC-TC4-Al3Ti-TC4叠层材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用厚度为0.05mm的钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-SiC循环叠层复合装甲（图3）。
实施例三：本实施例与上述两个实施例的不同点在于，以Si3N4作为中间陶瓷制备TC4-Al3Ti-TC4-Si3N4循环叠层复合装甲：
第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
（1）制样：将厚度比约为2:3:4的TC4箔、Al箔和Si3N4板材裁剪成相同尺寸（优选的TC4箔厚度为0.8mm），其中TC4箔个数为Al箔的两倍，Si3N4板材比Al箔少一个；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5％浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种材料超声波清洗5min，最后将三种材料烘干备用。
（2）叠放并包套：将步骤（1）所得两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用厚度为0.05mm的钛箔包套处理。
（3）真空热压烧结：将所得包套体置于石墨模具（图1）中（可一次制备多个所述钛铝复合材料，中间用石墨垫片隔开即可）按照如下工艺（图2）真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层材料：
①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；
②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5Mpa；
③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；
④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa。
第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与Si3N4板材并包套处理：
将第一步（1）中的Si3N4正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂E51（618）和固化剂593按照重量比100：35的比例混合而成的混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层材料-Si3N4-TC4-Al3Ti-TC4叠层材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用厚度为0.05mm的钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-Si3N4循环叠层复合装甲（图3）。
以上对本发明所提供的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法行了详细阐述，文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了介绍，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。故而，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲的制备方法，所述的TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲使用环氧树脂混合剂将真空热压烧结制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷板材依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出金属-金属间化合物-金属-陶瓷叠层复合装甲；TC4箔、Al箔和陶瓷板材厚度比为2:3:4；所述陶瓷板材为B4C或SiC或Si3N4；所述环氧树脂混合剂是将环氧树脂E51与固化剂593按照重量比100：35的比例混合，搅拌均匀后立即使用；
所述制备方法其特征为：
第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料：
（1）制样：将一定数量和一定厚度比的TC4箔、Al箔和陶瓷板材裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入酸溶液中处理，将所裁Al箔放入NaOH溶液中处理，以除去二者表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种箔材超声波清洗，最后将三种材料烘干备用；三种箔材是指TC4箔、Al箔以及陶瓷板材；
（2）叠放并包套：将步骤（1）所得箔材中的两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用钛箔包套处理，得到一个包套体；按照本步骤（2）所述方法制成多个包套体；
（3）真空热压烧结：将所得一个或多个包套体置于石墨模具中按照如下①、②、③、④工艺真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料，多个包套体之间上下交叠放置且用石墨垫片隔开：
①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；
②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5MPa；
③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；
④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa；
第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料与陶瓷板材并包套处理：
将第一步（1）中的陶瓷正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料-陶瓷-TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲；
所述陶瓷板材为B4C或SiC或Si3N4；
第一步的步骤（1）中，将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理，同时将所裁Al箔放入5％浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种箔材超声波清洗5min；第一步的步骤（1）中，裁剪的箔材数量：TC4箔个数为Al箔的两倍，陶瓷板材比Al箔少一个；所述TC4箔、Al箔和陶瓷板材厚度比为2:3:4；第一步步骤（2）中所用的钛箔厚度为0.05mm；第二步中进行整体包套时所用钛箔厚度也为0.05mm。
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