CN110779391A - 具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及装甲材料制备技术领域，尤其涉及具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法与应用。所述复合装甲包括金属点阵、陶瓷和树脂胶，其中，所述金属点阵为具有空腔的管状结构，所述空腔被分隔形成内凹六边形结构，且相邻内凹六边形结构之间通过隔板隔开，所述隔板固定在内凹六边形结构上；所述内凹六边形结构中填充匹配形状的陶瓷，所述陶瓷和内凹六边形结构之间通过树脂胶粘接。本发明设计的这种负泊松比特点的复合装甲在局部冲击荷载作用下，材料竖向发生收缩的同时横向也会收缩，这样的设计使材料向受冲击的区域汇集，材料的局部密度瞬间增大，从而起到抵抗冲击的效果。

Description

具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及装甲材料制备技术领域，尤其涉及具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法与应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
装甲防护是提高武器装甲战场生存力最主要的手段之一，主要用于坦克装甲车辆、自行火炮、武装直升机、军用飞机、军舰、军事设施和人体防护等领域。随着大威力新型反装甲武器的出现，装甲防护也得到不断地加强，各种防护装甲层出不穷。但是不断加厚的防护装甲加重了武器装备的重量，大大削弱了武器装备的机动性能和战场生存能力。装甲防护技术的发展变化是与战争需求的发展相适应的。
复合装甲，尤其是金属陶瓷复合装甲，是目前主流的重型装甲。目前，复合装甲材料的结构主要有以下几种：(1)“三明治”结构，陶瓷材料位于金属层/超高分子量纤维层之间，这种复合装甲主要通过粘接技术制备，工艺简单，成本较低，组合方式灵活多变，其抗侵彻能力一般，抗冲击蹦落能力较弱，综合性能一般。(2)功能梯度结构，即将不同性能的材料按特定顺序排列形成符合结构，这种复合装甲主要通过粉末冶金法、熔渗法、铸造法等，前者工艺复杂成本较高，后者两种工艺相对简单，价格低廉，这种符合装甲的抗侵彻能力一般，抗冲击和蹦落能力优良，综合抗弹效果较好。(3)密排陶瓷结构，其一般通过粘接，机械加工工艺制备，工艺简单，价格低廉，但抗侵彻能力一般，装甲抗侵彻损伤面积较小，抗二次打击能力有所提高，综合抗弹效果较好。(4)侧向约束结构，其通过粘接和机械加工工艺结合的方式制备，工艺简单，价格低廉，这种复合装甲的抗侵彻能力较好，抗冲击蹦落能力一般，综合抗弹效果较好。(5)三维约束结构，其采用热压、热等静压、粉末块体烧结等工艺制备，但存在工艺复杂、对设备要求较高，价格昂贵等不足，这种复合装甲的抗侵彻能力优良，抗冲击蹦落能力优良，但存在抗弹性能的不均匀性，综合抗弹性能优良。
综上，现有的这类结构的复合装甲仍然存在以下几方面的不足：(1)没有充分利用陶瓷的抗压性能。(2)陶瓷和金属在形状上没有足够的配合；(3)现有金属点阵本身的吸能特性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题主要有以下三个方面：(1)金属-陶瓷复合装甲材料/结构/功能一体化设计问题：也就是说陶瓷和金属两种材料需要什么样的形状配合，才能使得尽可能大的发挥金属的韧性与吸能的特点，同时可以发挥陶瓷抗压的特点。(2)防弹装甲轻量化问题。(3)金属点阵结构优化问题。
为此，本发明旨在提出一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法，具有这种结构特点的装甲在受到冲击时，使材料向受冲击的区域汇集，材料的局部密度瞬间增大，从而起到抵抗冲击的效果。
本发明的目的之一：提供一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲。
本发明的目的之二：提供具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的制备方法。
本发明的目的之三：提供所述具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：
首先，本发明公开一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，包括：金属点阵、陶瓷和树脂胶，其中，所述金属点阵为具有空腔的管状结构，所述空腔被分隔形成内凹六边形结构，且相邻内凹六边形结构之间通过隔板隔开，所述隔板固定在内凹六边形结构上；所述内凹六边形结构中填充匹配形状的陶瓷，所述陶瓷和内凹六边形结构之间通过树脂胶粘接。
其次，本发明公开所述具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的制备方法，步骤为：
(1)将陶瓷放置在金属点阵中对应形状的内凹六边形结构中，然后将金属点阵放到真空袋中，且金属点阵的一端面放置在树脂胶中，金属点阵的另一端抽真空，以使树脂胶进入瓷和内凹六边形结构之间的缝隙中。
(2)将步骤(1)浸胶后的金属点阵进行固化，完成后即得具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲。
最后，本发明公开所述具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法制备的产品为高强韧耦合的金属-陶瓷复合，其可以在军事设施、人体防护等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计的这种负泊松比特点的复合装甲在局部冲击荷载作用下，材料竖向发生收缩的同时横向也会收缩，这样的设计使材料向受冲击的区域汇集，材料的局部密度瞬间增大，从而起到抵抗冲击的效果。
(2)本发明设计的这种负泊松比特点的复合装甲使点阵金属在受到冲击的时候，尽可能的将冲击力转化为对陶瓷的压力，从而使得点阵金属与所填充陶瓷之间形成高效匹配，尽可能大地发挥金属的韧性与吸能的特点，同时发挥陶瓷抗压的特点，再加上内凹的六边形结构的陶瓷具有的负泊松比特点，能够进一步加强陶瓷的抗压能力。
(3)本发明设计的复合装甲中，陶瓷被金属点阵中的隔板隔开，一是在受到冲击时，隔板可以起到阻隔冲击力向下一陶瓷传递的作用，尽可能减少被破坏的陶瓷数量。二是在受到冲击时，内置陶瓷粉碎形成的细小陶瓷颗粒会反过来侵蚀弹丸，金属的负泊松比结构会对粉碎后的陶瓷进行挤压，从而使得陶瓷碎片侵蚀弹丸这一现象更加明显。金属点阵将陶瓷材料隔开，使得弹丸在侵彻过程中需要反复穿透陶瓷材料和金属材料，发挥了陶瓷材料的抗压特性与金属材料的韧性。
(4)本发明设计的复合装甲中，通过树脂胶填充陶瓷和金属点阵之间的空隙，其好处是：1.可以以一个简洁高效的形式连接金属与陶瓷的表面；2.与金属和陶瓷相比，树脂胶刚度较低，可以设计特定的空隙，填充树脂胶从而调节某个方向的抗冲击刚度，从而使得金属点阵的负泊松比特性更明显。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的结构示意图。
图2为本发明实施例中具有内凹六边形结构特点的陶瓷的结构示意图。
图3为本发明具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲受力时的形状变化示意图。
图4为弹丸在侵彻具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲时被打击部位材料密度的变化示意图。
附图中标记分别代表：1-金属点阵、2-陶瓷、3-内凹六边形结构、4-隔板。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备或元件需要具有特定的方位，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。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如前文所述，现有的这类结构的复合装甲仍然存在没有充分利用陶瓷的抗压性能、陶瓷和金属在形状上没有足够的配合以及现有金属点阵本身的吸能特性较差等方面的不足。因此，本发明提出了一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲及其制备方法。
在一些典型的实施方式中，所述金属点阵的材质包括钛合金、铝合金、装甲钢等等中的任意一种。优选地，所述钛合金包括TC4、TC6；所述装甲钢包括NP550等。进一步地，所述金属点阵的制备方法包括机械加工、3D打印、嵌锁组装等。
在一些典型的实施方式中，所述隔板的材质与金属点阵的材质相同。
在一些典型的实施方式中，所述陶瓷的材质包括碳化硅、碳化硼、氮化硼、氧化铝等。
在一些典型的实施方式中，所述树脂胶包括热固性环氧树脂胶、聚氨酯、α－氰基丙烯酸乙酯、无机胶等中的任意一种。可选地，所述无机胶包括硅酸盐、磷酸盐等胶黏剂等中的任意一种。
需要说明的是，当采用不同的树脂胶时，固化的方式不同，但都可以采用这种树脂胶常规的固化方式进行固化；例如，当采用热固性环氧树脂胶时，可在真空和高温高压条件下使环氧树脂固化。而采用α－氰基丙烯酸乙酯时，胶水在常温下可以固化。
优选地，所述陶瓷的材质为无烧结碳化硅、反应烧结碳化硅或者热压烧结碳化硅中的任意一种或几种。
进一步地，所述无烧结碳化硅的制备方法为：通过在超细β-SiC粉体中同时加入适量硼和碳的方法，在2000℃以上的常压条件下烧结成密度高于98％的SiC烧结体，即得。或者，以Al2O3和Y2O3为添加剂在1850-1950℃之间烧结成微米级的β-SiC。
进一步地，所述反应烧结碳化硅的制备方法为：反应烧结SiC又称自结合SiC,是由a-SiC粉和石墨粉按比列混合压成坯体后,加热到1645℃-1655℃,同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体,使之与石墨起反应生成β-SiC,把原来存在的a-SiC颗粒结合起来，得到的即为反应烧结碳化硅。
进一步地，所述热压烧结碳化硅的制备方法为：以MgO、SiO2压和Y2O3为烧结助剂,在氩气气氛中、1800-195O℃、30MPa的热压制备SiC陶瓷。
现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
第一实施例，参考图1、2，示例一种本发明设计的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，包括：金属点阵1、陶瓷2和树脂胶，其中，所述金属点阵1为具有空腔的管状结构，所述空腔被分隔形成内凹六边形结构3，且相邻内凹六边形结构3之间通过隔板4隔开，所述隔板4固定在内凹六边形结构3上；所述内凹六边形结构3中填充匹配形状的陶瓷2，所述陶瓷2和内凹六边形结构3之间通过树脂胶粘接。所述金属点阵1和隔板4的材质均为TC4钛合金；所述树脂胶为热固性环氧树脂胶；所述陶瓷为无烧结碳化硅。
绝大多数传统材料具有正泊松比，材料竖向发生收缩而横向产生膨胀，而负泊松比结构在局部冲击荷载作用下，材料竖向发生收缩的同时横向也会收缩(如图3所示，其中图a)为受力前的状态，图b)为材料受力时的状态)。这样的设计使材料向受冲击的区域汇集，材料的局部密度瞬间增大(如图4所示)，从而起到抵抗冲击的效果；同时使得金属在受到冲击的时候，尽可能的将弹丸冲击力转化为对陶瓷的压力，从而使得金属结构与所填充陶瓷可以高效匹配。
第二实施例，实施例1所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的制备方法，包括如下步骤：
(1)无烧结碳化硅的制备：通过在超细β-SiC粉体(含氧量小于2)中同时加入硼和碳，在2020℃的常压条件下烧结成密度高于98％的SiC烧结体。
(2)将步骤(1)得到的SiC烧结体加工成内凹六边形结构匹配的形状，即得到陶瓷，然后将陶瓷放置在金属点阵中对应形状的内凹六边形结构中，然后将金属点阵放到真空袋中，且金属点阵的一端面放置在树脂胶中，金属点阵的另一端抽真空，以使树脂胶进入瓷和内凹六边形结构之间的缝隙中。所制备的金属点阵总长320mm、宽300mm、厚30mm。所设计的内凹六边形负泊松比结构高12mm，宽10mm，两次向内测各凹进3mm。所使用陶瓷柱与内凹六边形负泊松比结构尺寸相同，加工时保留0.4mm-0.6mm的公差，以方便安装。
(3)将步骤(1)浸胶后的金属点阵置于240℃，1.8个大气压的真空炉中保持0.5h，使树脂胶固化，完成后即得具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲。
经过测试，本实施例制备的这种复合装甲的瞬间泊松比最小(负的绝对值最大)达到-0.5，而且吸能性比一般的六边形蜂窝结构高35％。
第三实施例，一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，同实施例1，区别在于：所述金属点阵1和隔板4的材质均为TC6钛合金；所述树脂胶为聚氨酯；所述陶瓷为反应烧结碳化硅。
本实施例具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的制备方法，包括如下步骤：
(1)反应烧结碳化硅的制备：由α-SiC粉和石墨粉按质量比25比1混合压成坯体后,加热到1645℃-1655℃之间,同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体,使之与石墨起反应生成β-SiC,把原来存在的α-SiC颗粒结合起来，即得反应烧结碳化硅。
(2)将步骤(1)得到的反应烧结碳化硅加工成内凹六边形结构匹配的形状，即得到陶瓷，然后将陶瓷放置在金属点阵中对应形状的内凹六边形结构中，然后将金属点阵放到真空袋中，且金属点阵的一端面放置在树脂胶中，金属点阵的另一端抽真空，以使树脂胶进入瓷和内凹六边形结构之间的缝隙中。
(3)将步骤(1)浸胶后的金属点阵置于240℃，1.8大气压的真空炉中0.5h，使树脂胶固化，完成后即得具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲。
经过测试，本实施例制备的这种复合装甲的瞬间泊松比最小(负的绝对值最大)可以达到-0.4，而且吸能性比一般的六边形蜂窝结构高32％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，包括：金属点阵、陶瓷和树脂胶，其中，所述金属点阵为具有空腔的管状结构，所述空腔被分隔形成内凹六边形结构，且相邻内凹六边形结构之间通过隔板隔开，所述隔板固定在内凹六边形结构上；所述内凹六边形结构中填充匹配形状的陶瓷，所述陶瓷和内凹六边形结构之间通过树脂胶粘接。
2.如权利要求1所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述金属点阵的材质包括钛合金、铝合金、装甲钢中的任意一种；
优选地，所述钛合金包括TC4、TC6中的任意一种；
优选地，所述装甲钢为NP550。
3.如权利要求2所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述隔板的材质与金属点阵的材质相同。
4.如权利要求1所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述树脂胶包括热固性环氧树脂胶、α－氰基丙烯酸乙酯、聚氨酯、无机胶中的任意一种；可选地，所述无机胶包括硅酸盐、磷酸盐中的任意一种。
5.如权利要求1所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述陶瓷的材质包括碳化硅、碳化硼、氮化硼、氧化铝中的任意一种。
6.如权利要求5所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述陶瓷的材质为无烧结碳化硅、反应烧结碳化硅或者热压烧结碳化硅中的任意一种或几种。
7.如权利要求6所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述无烧结碳化硅的制备方法为：通过在超细β-SiC粉体中同时加入适量硼和碳的方法，在2000℃以上的常压条件下烧结成密度高于98％的SiC烧结体，即得；
或者，以Al2O3和Y2O3为添加剂在1850-1950℃之间烧结成微米级的β-SiC。
8.如权利要求6所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲，其特征在于，所述反应烧结碳化硅的制备方法为：由a-SiC粉和石墨粉按比列混合压成坯体后,加热到1645℃-1655℃左右,同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体,使之与石墨起反应生成β-SiC,把原来存在的a-SiC颗粒结合起来，得到的即为反应烧结碳化硅；
优选地，所述热压烧结碳化硅的制备方法为：以MgO、SiO2压和Y2O3为烧结助剂,在氩气气氛中、1800-195O℃、30MPa的热压制备SiC陶瓷。
9.如权利要求1所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)将陶瓷放置在金属点阵中对应形状的内凹六边形结构中，然后将金属点阵放到真空袋中，且金属点阵的一端面放置在树脂胶中，金属点阵的另一端抽真空，以使树脂胶进入瓷和内凹六边形结构之间的缝隙中；
(2)将步骤(1)浸胶后的金属点阵进行固化，完成后即得具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲。
10.权利要求1-8任一项所述的具有负泊松比的金属陶瓷复合装甲和/或权利要求9所述的方法制备的产品在军事设施、人体防护领域中的应用。
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