CN110981516B - 复合材料防弹板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料防弹板及其制备方法，属于复合材料技术领域。该复合材料防弹板制备方法，包括以下步骤：浸渍～造粒～铺层～模压～HPS～PIP。本发明结合了PIP工艺和HPS工艺，使用铝溶胶为浸渍液，使用高性能纤维无纬布为增强材料，制备的复合材料板具有更高的密度，更高的韧性和更好的防弹性能，且降低了对设备的要求，提高了制备效率。

Description

复合材料防弹板及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料领域的技术，具体是一种复合材料防弹板及其制备方法。
背景技术
随着常规武器的迅速发展，对防弹材料要求也越来越高。陶瓷材料板作为防弹插板最重要的部分，其性能决定了防弹插板的防护等级。
陶瓷材料板一般采用碳化硅粉体或者氧化铝粉体热压烧结制备，这种纯陶瓷插板受到子弹冲击时，易产生应力集中，导致灾难性损坏。也有人提出采用三维编织纤维作为增强材料，制备陶瓷基复合材料板。虽然一定程度上起到增韧效果，但三维编织物经纬纱交错处在子弹冲击下容易断裂。
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种复合材料防弹板及其制备方法，采用高性能纤维无纬布作为增强材料，与陶瓷粉体进行交替铺层，无纬布铺层采用[0°/90°]T铺层方式，使得二维平面上同性，避免子弹冲击导致复合材料防弹板断裂。
本发明涉及一种复合材料防弹板制备方法，包括以下步骤：
浸渍：在真空条件下将高性能纤维无纬布加压浸渍于浸渍液铝溶胶中；
造粒：选用陶瓷基体粉体，向陶瓷基体粉体中加入粘合剂铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒；
铺层：将浸渍步骤得到的高性能纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于模具中，相邻两层高性能纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到已铺层材料；
模压：加热升温至模压温度，保温一定时间后模压已铺层材料，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS(Hot pressing sintering，热压烧结)：升温预热生坯并保温一段时间，之后加压并升温至烧结温度，热压烧结，保温一定时间后缓慢降温，得到复合材料防弹板；
PIP(Polymer Infiltration and Pyrolysis，先驱体浸渍裂解)：将复合材料防弹板置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，之后常压烧结，常压烧结过程中脱水，保温一定时间后缓慢降温，在复合材料防弹板中裂解得到氧化铝；重复操作2～3次。
优选地，高性能纤维无纬布包括但不限于碳纤维无纬布、玻璃纤维无纬布、氧化铝纤维无纬布、碳化硅纤维无纬布，还包括其他陶瓷纤维无纬布；进一步优选地，高性能纤维无纬布采用氧化铝纤维无纬布。
本发明涉及一种复合材料防弹板，采用上述方法制备得到；包括按[0°/90°]T方式铺层的高性能纤维无纬布，烧结在相邻两层高性能纤维无纬布之间的陶瓷基体，以及裂解在复合材料防弹板中的氧化铝。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1)结合了PIP工艺和HPS工艺，制备的复合材料防弹板具有高密度、高韧性和高防弹性能的优点；
2)采用高性能纤维无纬布作为增强材料，替代陶瓷基复合材料中使用的三维编织件，无纬布铺层采用[0°/90°]T铺层方式，二维平面上同性，并且高性能纤维无纬布与陶瓷基体交替设置，提升了抗子弹冲击性能，避免子弹冲击导致复合材料防弹板断裂；
3)铝溶胶一方面作为浸渍液，裂解得到氧化铝，能避免采用其他粘合剂导致杂质增加，另一方面作为陶瓷基体粉体粘结剂，能够降低烧结工艺要求，提升制备效率，降低对设备的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图；
图2为本发明实施例制得的氧化铝基陶瓷复合材料防弹板结构示意图；
图中：氧化铝纤维无纬布层1、氧化铝陶瓷层2。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例涉及一种氧化铝基陶瓷复合材料防弹板制备方法，包括以下步骤：
浸渍：在真空条件下将氧化铝纤维无纬布加压浸渍于固含量10％～50％的浸渍液铝溶胶中，浸渍液铝溶胶pH为3～10，加压压力为2～5MPa；
造粒：选用平均粒径1～5μm的ɑ-Al2O3粉体，按铝溶胶与ɑ-Al2O3粉体重量比5:95～1:1的比例向ɑ-Al2O3粉体中加入固含量10％～50％的粘合剂铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒；
铺层：将浸渍步骤得到的氧化铝纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于模具中，模具优选钢模模具，相邻两层氧化铝纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到已铺层材料，之后进行脱水处理；已铺层材料优选具有三层氧化铝纤维无纬布和两层陶瓷粒；
模压：将钢模置于油压机中，加热升温至120～150℃，保温0.5～4h后模压，模压压力为5～25MPa，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS：将生坯置于热压炉中，升温预热，之后加压并升温至烧结温度，在1000～1300℃的烧结温度、5～25MPa加压压力下热压烧结，保温1～4h后缓慢降温，得到氧化铝基陶瓷复合材料防弹板；
PIP：将防弹板半成品置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，加压浸渍压力为5～25MPa；之后置于高温炉升温至1000～1300℃，在1000～1300℃的烧结温度下常压烧结，保温1～2h后缓慢降温，在氧化铝基陶瓷复合材料防弹板中裂解得到氧化铝；重复操作2～3次，提高氧化铝基陶瓷复合材料防弹板整体密度。
优选地，HPS步骤和PIP步骤中，升温速率通过试验确定。
最终得到如图2所示氧化铝基陶瓷复合材料防弹板并对其进行性能测试，其中，氧化铝纤维无纬布层1共三层，单层厚度均为1mm，氧化铝陶瓷层2共两层，单层厚度为3.1mm，总厚度为9.2mm；氧化铝基陶瓷复合材料防弹板正面尺寸为250mm×300mm，四角倒角，倒角边长20mm。
实施例1
浸渍：在真空条件下将氧化铝纤维无纬布加压浸渍于固含量20％的铝溶胶中，加压压力为4MPa；
造粒：选用平均粒径5μm的ɑ-Al2O3粉体，向ɑ-Al2O3粉体中加入固含量30％的铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒，铝溶胶在陶瓷粒中的重量比例为10％，即铝溶胶与ɑ-Al2O3粉体重量比为1:9；
铺层：将浸渍步骤得到的氧化铝纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于钢模模具中，相邻两层氧化铝纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到五层结构已铺层材料，对已铺层材料进行脱水处理；
模压：将钢模置于油压机中，加热升温至120℃，保温4h后模压，模压压力为20MPa，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS：将生坯置于热压炉中，升温至350℃保温2h，提升压力至25MPa后，继续升温至1100℃热压烧结，保温2h后缓慢降温，得到氧化铝基陶瓷复合材料防弹板；
PIP：将氧化铝基陶瓷复合材料防弹板置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，之后置于高温炉升温至1100℃，在1100℃的烧结温度下常压烧结，保温2h后缓慢降温，在防弹板半成品表面裂解得到氧化铝涂层；重复操作3次。
得到的陶瓷复合材料板密度为3.03g/cm3，其抗压强度达到1500MPa，抗弯强度为432MPa，冲击强度1kJ/m2，断裂韧性为14.3MPa·m1/2。
实施例2
浸渍：在真空条件下将氧化铝纤维无纬布加压浸渍于固含量30％的铝溶胶中，加压压力为2MPa；
造粒：选用平均粒径3μm的ɑ-Al2O3粉体，向ɑ-Al2O3粉体中加入固含量30％的铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒，铝溶胶在陶瓷粒中的重量比例为15％，即铝溶胶与ɑ-Al2O3粉体重量比为3:17；
铺层：将浸渍步骤得到的氧化铝纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于钢模模具中，相邻两层氧化铝纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到五层结构已铺层材料，对已铺层材料进行脱水处理；
模压：将钢模置于油压机中，加热升温至150℃，保温1h后模压，模压压力为25MPa，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS：将生坯置于热压炉中，升温至400℃保温2h，提升压力至15MPa后，继续升温至1200℃热压烧结，保温2h后缓慢降温，得到氧化铝基陶瓷复合材料防弹板；
PIP：将氧化铝基陶瓷复合材料防弹板置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，之后置于高温炉升温至1200℃，在1200℃的烧结温度下常压烧结，保温2h后缓慢降温，在防弹板半成品表面裂解得到氧化铝涂层；重复操作2次。
得到的陶瓷复合材料板密度为2.97g/cm3，其抗压强度达到1357MPa，冲击强度1kJ/m2，抗弯强度为364MPa，断裂韧性为11.2MPa·m1/2。
实施例3
浸渍：在真空条件下将氧化铝纤维无纬布加压浸渍于固含量30％的铝溶胶中，加压压力为5MPa；
造粒：选用平均粒径1μm的ɑ-Al2O3粉体，向ɑ-Al2O3粉体中加入固含量30％的铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒，铝溶胶在陶瓷粒中的重量比例为20％，即铝溶胶与ɑ-Al2O3粉体重量比为1:4；
铺层：将浸渍步骤得到的氧化铝纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于钢模模具中，相邻两层氧化铝纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到五层结构已铺层材料，对已铺层材料进行脱水处理；
模压：将钢模置于油压机中，加热升温至150℃，保温1h后模压，模压压力为25MPa，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS：将生坯置于热压炉中，升温至400℃保温2h，提升压力至10MPa后，继续升温至1200℃热压烧结，保温2h后缓慢降温，得到氧化铝基陶瓷复合材料防弹板；
PIP：将氧化铝基陶瓷复合材料防弹板置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，之后置于高温炉升温至1200℃，在1200℃的烧结温度下常压烧结，保温2h后缓慢降温，在防弹板半成品表面裂解得到氧化铝涂层；重复操作2次。
得到的陶瓷复合材料板密度为2.91g/cm3，其抗压强度达到1123MPa，抗弯强度为286MPa，冲击强度1kJ/m2，断裂韧性为9.06MPa·m1/2。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料防弹板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
浸渍：在真空条件下将高性能纤维无纬布加压浸渍于浸渍液铝溶胶中，所述高性能纤维无纬布采用氧化铝纤维无纬布；
造粒：选用陶瓷基体粉体，所述陶瓷基粉体采用ɑ-Al2O3粉体，向陶瓷基体粉体中加入粘合剂铝溶胶后造粒，得到陶瓷粒；
铺层：将浸渍步骤得到的高性能纤维无纬布按[0°/90°]T方式铺层于模具中，相邻两层高性能纤维无纬布之间均匀铺上一层陶瓷粒，得到已铺层材料；
模压：加热升温至模压温度，保温一定时间后模压已铺层材料，模压后缓慢降温再脱模，得到生坯；
HPS：升温预热生坯并保温一段时间，之后加压并升温至烧结温度，热压烧结，保温一定时间后缓慢降温，得到复合材料防弹板；
PIP：将复合材料防弹板置于浸渍液铝溶胶中真空加压浸渍，之后常压烧结，保温一定时间后缓慢降温，在复合材料防弹板中裂解得到氧化铝；重复操作2～3次。
2.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，陶瓷基粉体采用平均粒径1～5μm的ɑ-Al2O3粉体。
3.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述浸渍步骤中，加压浸渍压力为2～5MPa。
4.根据权利要求3所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述铝溶胶固含量10％～50％。
5.根据权利要求2所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述造粒步骤中，铝溶胶与ɑ-Al2O3粉体重量比5:95～1:1，铝溶胶固含量10％～50％。
6.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述铺层步骤中，对已铺层材料进行脱水处理。
7.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述模压温度为120～150℃、压力为5～25MPa。
8.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述HPS步骤中，预热温度为300～500℃，加压压力为5～25MPa，烧结温度为1000～1300℃，保温1～4h。
9.根据权利要求1所述复合材料防弹板制备方法，其特征是，所述PIP步骤中，加压浸渍压力为5～25MPa，烧结温度为1000～1300℃，保温1～2h。
10.一种复合材料防弹板，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述方法制备得到；包括按[0°/90°]T方式铺层的高性能纤维无纬布，烧结在相邻两层高性能纤维无纬布之间的陶瓷基体，以及裂解在复合材料防弹板中的氧化铝。
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