CN110274521A - 一种复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料及制备方法。复合材料包括铝合金基板、陶瓷柱、橡胶片、钢丝网、蜂窝板、环氧树脂；铝合金基板的上表面设有多个平底孔，相邻的平底孔轴线之间的距离相等；陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中，固定在平底孔内；橡胶片固定在平底孔内，位于陶瓷柱的下方，与平底孔的孔底接触；蜂窝板固定在铝合金基板的下表面；环氧树脂包覆在复合材料的最外层。本发明的复合材料抗弹性能好，质量轻，提高了装甲的综合性能。

Description

一种复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种新型的复合材料及制备方法。

背景技术

装甲的防护能力是评价军用车辆的一个重要指标，为了提升军用车辆的防护能力，披挂装甲以披挂的方式安装到车辆易受损伤的部位。披挂装甲的材料需要满足弹道性能要求，包括装甲能抗侵彻、抗冲击和抗崩落。

抗侵彻性是装甲阻止弹丸部分或全部贯穿装甲的能力。它取决于材料对弹丸、弹片能量消耗的程度，材料的抗拉强度和硬度越高，其抗侵彻能力越强。抗冲击性是装甲能够吸收冲击而不产生裂缝或开裂的能力。抗崩落性是装甲阻止开裂、分层崩落或破裂脱离装甲板的性能。

铝合金作为防护材料，在相同的抗弹性能下，可比钢装甲减重20％，目前应用十分广泛，然而单一的铝合金防护装甲存在防护性能不足的问题。

陶瓷材料具有高硬度、低密度的特点，在弹道防护方面可以发挥重要的作用，受到弹丸冲击时，可以使弹丸破碎，并在侵彻过程中因磨损而消耗能量。在受到撞击时碎裂，可以使弹丸能量在更大的面积上传递消耗，弹丸击穿下一个防护层将会非常困难。然而陶瓷材料存在易碎的缺点，因此抗多发弹性能差。

发明内容

为了获得性能优良的防弹板材，本发明提出一种复合材料及制备方法，在陶瓷和铝合金基板之间设置橡胶片作为缓冲层，并通过钢丝网、蜂窝板、环氧树脂的配合，提高复合材料的抗弹性能。

本发明提供一种复合材料，包括铝合金基板、陶瓷柱、橡胶片、钢丝网、蜂窝板、环氧树脂；

所述铝合金基板的上表面设有多个平底孔，相邻的所述平底孔轴线之间的距离相等；

所述陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中，固定在所述平底孔内；

所述橡胶片固定在所述平底孔内，位于所述陶瓷柱的下方，与所述平底孔的孔底接触；

所述蜂窝板固定在铝合金基板的下表面；

所述环氧树脂包覆在所述复合材料的最外层。

上述复合材料中，所述陶瓷柱的顶端包含球冠，所述球冠位于所述钢丝网的外侧。

上述复合材料中，所述平底孔深度为所述铝合金基板厚度的2/3，所述橡胶片厚度为所述平底孔深度的1/2。

上述复合材料中，所述钢丝网的材质为304不锈钢。

上述复合材料中，所述铝合金基板的材质为7×××系铝合金。

上述复合材料中，所述蜂窝板的厚度为铝合金基板厚度的1/3～1/2。

上述复合材料中，所述平底孔的直径为13～15mm。

上述复合材料中，相邻的所述平底孔轴线之间的距离为15～17mm。

上述复合材料中，所述钢丝网的网格的直径为12.7～15mm，厚度为0.6mm。

上述复合材料中，所述陶瓷柱与所述平底孔为过盈配合。

上述复合材料中，所述橡胶片的材质为顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶中的一种。

本发明还提供一种上述复合材料的制备方法，包括步骤：

A、在铝合金基板上钻出平底孔，所述平底孔在所述铝合金基板的上表面均布；

B、制备陶瓷柱、橡胶片、钢丝网和蜂窝板；

C、将所述橡胶片装入所述平底孔，所述橡胶片与所述平底孔的孔底接触；

D、将陶瓷柱嵌套在所述钢丝网的网格中；

E、将所述陶瓷柱装入所述平底孔，向所述陶瓷柱的顶端施加压力，直至所述陶瓷柱与所述橡胶片接触。

F、将所述蜂窝板固定在所述铝合金基板的下表面；

G、将环氧树脂包覆在所述复合材料的最外层，固化封装。

上述的方法中，在所述步骤A之前，包括步骤：对所述铝合金基板进行热处理，热处理后所述铝合金基板的抗拉强度大于550MPa。

本发明的复合材料及制备方法，将陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中后和橡胶片一起嵌入铝合金基板中，后将蜂窝板用胶水固定在铝合金基板下表面，再将环氧树脂包裹在整个复合材料的四周进行固化封装；高硬度的陶瓷对冲击强度大的弹丸起到破碎作用；钢丝网对陶瓷起到很好的固定作用；橡胶的弹性高，可吸收冲击的能力，起到缓冲的作用；铝合金具有较好的柔韧性和强度，可进一步起到防护的作用；蜂窝板具有良好的吸能和缓冲作用；环氧树脂对整个复合材料具有良好的固定和限位作用；六种材料组合而成的复合材料，具有优异的弹道性能，作为披挂装甲材料，可显著提高装甲的防护能力。

附图说明

图1是本发明实施例复合材料的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供一种复合材料，其包括铝合金基板1、陶瓷柱2、橡胶片3、钢丝网4、蜂窝板5和环氧树脂6。将上述材料结合，充分利用每种材料的优点，实现性能互补，其结构具有优良的综合性能。

在铝合金基板1的表面开设有多个平底孔11，平底孔11均位于同一表面上。如图1中所示，在铝合金基板1的上表面设有多个平底孔11。平底孔11在铝合金基板1的上表面均匀分布，相邻的平底孔11轴线之间的距离相等。

陶瓷柱2嵌套在钢丝网4的网格中，陶瓷柱2插入平底孔11中，固定在平底孔11内。钢丝网4可对陶瓷柱2起到良好的固定作用。

橡胶片3固定在平底孔11内，位于陶瓷柱2的下方，与平底孔11的孔底接触。本实施例中，陶瓷柱2和橡胶片3均为圆柱形。圆柱形的陶瓷柱2和橡胶片3可与平底孔11更紧密的配合。陶瓷柱2的下表面与橡胶片3的上表面接触。

蜂窝板5固定在铝合金基板1的下表面，蜂窝板5的上表面与铝合金基板1的下表面接触，通过胶水固定连接。蜂窝板5为铝合金材质材，由面板和蜂窝芯钎焊连接而成，具有重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、隔热隔声等一系列优点，其蜂窝芯可吸收能量和缓冲弹丸的功能，提高了防护性能。

环氧树脂6包覆在复合材料的最外层，覆盖整个复合材料的表面。环氧树脂具有粘附力强、收缩性、力学性能好、化学稳定性好、尺寸稳定和耐久性好等优点，对整个复合材料具有良好的固定和限位作用，使其结构更牢靠。

本实施例的复合材料，将陶瓷柱嵌入铝合金基板中，可提高复合板的强度和硬度。装有陶瓷柱的面作为迎弹面，达到抵抗、破碎弹丸的效果。在铝合金基板上开孔并安装陶瓷柱，可以形成对陶瓷柱的三维约束，防止陶瓷柱受弹丸冲击后横向和纵向移动。陶瓷柱嵌入到钢丝网的网格中，钢丝网对陶瓷柱起到很好的固定和约束作用。在陶瓷柱的下方设置橡胶片，起到缓冲作用，吸收冲击能量。铝合金基板具有较好的柔韧性和强度，可进一步起到防护的作用。蜂窝板具有良好的吸能和缓冲作用，环氧树脂对整个复合材料具有固定和限位作用。复合材料可显著提高披挂装甲的防护性能。

可选地，陶瓷柱2的顶端包含球冠21，球冠21位于钢丝网4的外侧，即球冠21位于钢丝网4之外，陶瓷柱2的圆柱部分位于平底孔11内。球冠21可增大弹丸非零度角入射侵彻的概率，从而提高陶瓷材料的抗弹能力。本实施例中，球冠21的高度为1.5mm，球冠21的高度可根据实际情况调整。

可选地，平底孔11深度为铝合金基板1厚度的2/3，橡胶片3厚度为平底孔11深度的1/2，陶瓷柱圆柱部分的高度约为平底孔11深度的1/2。实现陶瓷柱2圆柱部分的高度、橡胶片3厚度与橡胶片3下方的铝合金的厚度比值大约为1:1:1，有利于综合利用各种材料的性能。

本实施例中，钢丝网的材质为304不锈钢。钢丝网是由304不锈钢细钢丝编织而成，具有良好的耐腐蚀性能。

可选地，铝合金基板1的材质为7×××系铝合金。铝合金材料的密度轻，使用铝合金材料可减轻复合板的密度，7×××系铝合金的强度高，适用于作为装甲材料，热处理后，其抗拉强度大于550MPa。

本实施例中，蜂窝板5的厚度为铝合金基板1厚度的1/3～1/2，可以很好的起到缓冲的作用。蜂窝板5的面板和蜂窝芯的材质都为4043/3003铝合金。4043具有熔点低、流动性好、耐蚀性好等特点，对避免焊接裂纹十分有利，因此作为焊接的钎焊层。3003铝合金则作为基体材料，起主要的缓冲防护作用。面板层由单层4043合金包覆3003进行复合轧制而成。而蜂窝芯则由2层4043合金包覆3003进行复合轧制而成。两者钎焊时，面板层的4043侧和蜂窝芯的4043接触，同时作为钎焊料，在钎焊时进行焊料填充，实现两者的焊接。

可选地，平底孔11的直径为13～15mm。陶瓷柱2与平底孔11为过盈配合，橡胶片3与平底孔11也为过盈配合。陶瓷柱2的直径为13.02～15.04mm，橡胶片3的直径为13.02～15.04mm。陶瓷柱2、橡胶片3与平底孔11过盈配合，使得陶瓷柱2、橡胶片3牢牢固定在平底孔11内，不必再采用胶粘工艺固定陶瓷柱2。

本实施例中，相邻的平底孔11轴线之间的距离(孔的中心距)为15～17mm。相邻的平底孔11之间保持2mm的壁厚间隔。

本实施例中，钢丝网4的网格的直径为12.7～15mm，厚度为0.6mm，图1中未按照实际比例显示钢丝网的厚度。钢丝网4的网格的直径略小于平底孔11直径，使得陶瓷柱2可以很紧凑的嵌入钢丝网4中，起到良好的固定作用。

橡胶片3的材质为顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶中的一种。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶的缓冲性能好，适于抗冲击使用。

本实施例的复合材料，从迎弹面开始依次由陶瓷柱、钢丝网、橡胶片、铝合金基板、铝蜂窝板组成，环氧树脂包覆在最外层。该复合材料面密度为40～50kg/m²，能够应对7.62mm、12.7mm中小口径穿甲燃烧弹或与其功能类似的炮弹片。

本实施例还提供一种上述复合材料的制备方法，包括步骤：

A、在铝合金基板上钻出平底孔，平底孔在铝合金基板的上表面均布。铝合金基板厚度为15～20mm，平底孔的直径为13～15mm，相邻的平底孔的中心间距为15～17mm，孔的深度为铝合金基板厚度的2/3。

B、制备陶瓷柱、橡胶片、钢丝网和蜂窝板。采用碳化硅陶瓷，形状为圆柱状，底部为平底，顶端设有球冠。球冠高度为1.5mm，陶瓷柱的直径为13.02～15.04mm，陶瓷柱高度略高于平底孔深度的1/2。橡胶为顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶中的一种，形状为圆柱状，橡胶片直径为13.02～15.04mm，厚度为平底孔深度的1/2。采用304不锈钢钢丝网，剪切成能与陶瓷柱配合的规格。采用4043/3003铝合金板，厚度为铝合金基板厚度的1/3～1/2，然后采用钎焊方式制备铝蜂窝板。

C、将橡胶片装入平底孔，橡胶片与平底孔的孔底接触。

D、将陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中。

E、将陶瓷柱装入平底孔中，向陶瓷柱的顶端施加压力，直至陶瓷柱与橡胶片接触。陶瓷柱的圆柱部分进入平底孔，球冠露在钢丝网外。

F、将蜂窝板用胶水固定在铝合金基板的下表面。

G、将环氧树脂包覆在复合材料的最外层，固化封装。

可选地，在步骤A之前，包括步骤：对铝合金基板进行热处理，热处理后铝合金基板的抗拉强度大于550MPa。本实施例中的热处理为T6处理。T6处理由固溶处理和时效处理两步组成。固溶处理的条件为：温度470～480℃，保温时间1～2h后出炉，水冷淬火。然后进行时效处理，时效处理的条件为：温度120-130℃，时间16-30h。

实施例1

一种复合板的制备流程如下：

1、准备15mm厚的7075铝合金基板，对铝合金基板进行T6热处理。

2、在铝合金基板上钻出平底孔，平底孔在铝合金基板的上表面均布。平底孔的直径为13mm，相邻的平底孔的中心间距为15mm，孔深10mm。

3、制备陶瓷柱，材质为碳化硅，陶瓷柱的直径为13.02～13.04mm，与平底孔满足过盈配合的要求。陶瓷柱的底部为平底，顶端设有球冠，球冠的高度为1.5mm，陶瓷柱的高度(不含球冠)为6mm。

4、制备橡胶片，采用顺丁橡胶，其直径为13.02～13.04mm，厚度为5mm。

5、剪切钢丝网，选用网格直径为12.7mm的钢丝网剪切成所需的尺寸。

6、制备蜂窝板，采用4043/3003铝合金板材，采用钎焊方式制备完成，铝蜂窝板厚度为5mm。

7、将橡胶片塞入平底孔中，使橡胶片与平底孔的孔底接触。

8、将陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中。

9、将套有钢丝网的陶瓷柱装入平底孔中，用橡皮锤敲打陶瓷柱的球冠，直至陶瓷柱底面与橡胶片上表面接触。陶瓷柱的圆柱部分进入平底孔，球冠露在钢丝网外。

10、将蜂窝板用胶水固定在铝合金基板的下表面。

11、将环氧树脂包覆在复合材料的最外层，固化封装。

制得的复合板面密度为40kg/m²，对该复合板进行7.62mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，射击距离为100m，射击角度为0°。三发弹丸速度V₂₅为820mm/s、825mm/s、829mm/s，三发弹丸均未穿透复合板，复合板背凸高度小于3mm，复合板除了弹孔处有损伤，其他部位保持完整，表明该复合板防弹效果较好并能够防多发弹。其中的速度V₂₅为距离枪口25m处测得的弹丸速度。

实施例2

一种复合板的制备流程如下：

1、准备18mm厚的7075铝合金基板，对铝合金基板进行T6热处理。

2、在铝合金基板上钻出平底孔，平底孔在铝合金基板的上表面均布。平底孔的直径为15mm，相邻的平底孔的中心间距为17mm，孔深12mm。

3、制备陶瓷柱，材质为碳化硅，陶瓷柱的直径为15.02～15.04mm，与平底孔满足过盈配合的要求。陶瓷柱的底部为平底，顶端设有球冠，球冠的高度为1.5mm，陶瓷柱的高度(不含球冠)为7mm。

4、制备橡胶片，采用顺丁橡胶，其直径为15.02～15.04mm，厚度为6mm。

5、剪切钢丝网，选用网格直径为14.7mm的钢丝网剪切成所需的尺寸。

6、制备蜂窝板，采用4043/3003铝合金板材，采用钎焊方式制备完成，铝蜂窝板厚度为9mm。

7、将橡胶片塞入平底孔中，使橡胶片与平底孔的孔底接触。

8、将陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中。

9、将套有钢丝网的陶瓷柱装入平底孔中，用橡皮锤敲打陶瓷柱的球冠，直至陶瓷柱底面与橡胶片上表面接触。陶瓷柱的圆柱部分进入平底孔，球冠露在钢丝网外。

10、将蜂窝板用胶水固定在铝合金基板的下表面。

11、将环氧树脂包覆在复合材料的最外层，固化封装。

制得的复合板面密度为50kg/m²，对该复合板进行7.62mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，射击距离为100m，射击角度为0°。三发弹丸速度V₂₅为821mm/s、824mm/s、828mm/s，三发弹丸均未穿透复合板，复合板背凸高度小于3mm，复合板除了弹孔处有损伤，其他部位保持完整，表明该复合板防弹效果较好并能够防多发弹。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (13)

1.一种复合材料，其特征在于，包括铝合金基板、陶瓷柱、橡胶片、钢丝网、蜂窝板、环氧树脂；

所述铝合金基板的上表面设有多个平底孔，相邻的所述平底孔轴线之间的距离相等；

所述陶瓷柱嵌套在钢丝网的网格中，固定在所述平底孔内；

所述橡胶片固定在所述平底孔内，位于所述陶瓷柱的下方，与所述平底孔的孔底接触；

所述蜂窝板固定在铝合金基板的下表面；

所述环氧树脂包覆在所述复合材料的最外层。

2.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述陶瓷柱的顶端包含球冠，所述球冠位于所述钢丝网的外侧。

3.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述平底孔深度为所述铝合金基板厚度的2/3，所述橡胶片厚度为所述平底孔深度的1/2。

4.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述钢丝网的材质为304不锈钢。

5.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述铝合金基板的材质为7×××系铝合金。

6.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述蜂窝板的厚度为铝合金基板厚度的1/3～1/2。

7.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述平底孔的直径为13～15mm。

8.根据权利要求7所述复合材料，其特征在于，相邻的所述平底孔轴线之间的距离为15～17mm。

9.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述钢丝网的网格的直径为12.7～15mm，厚度为0.6mm。

10.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述陶瓷柱与所述平底孔为过盈配合。

11.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述橡胶片的材质为顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶中的一种。

12.一种权利要求1～11任一所述复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

A、在铝合金基板上钻出平底孔，所述平底孔在所述铝合金基板的上表面均布；

B、制备陶瓷柱、橡胶片、钢丝网和蜂窝板；

C、将所述橡胶片装入所述平底孔，所述橡胶片与所述平底孔的孔底接触；

D、将陶瓷柱嵌套在所述钢丝网的网格中；

E、将所述陶瓷柱装入所述平底孔，向所述陶瓷柱的顶端施加压力，直至所述陶瓷柱与所述橡胶片接触。

F、将所述蜂窝板固定在所述铝合金基板的下表面；

G、将环氧树脂包覆在所述复合材料的最外层，固化封装。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述步骤A之前，包括步骤：对所述铝合金基板进行热处理，热处理后所述铝合金基板的抗拉强度大于550MPa。