CN111439005A - 一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法，属于结构及功能型复合材料制备技术领域。为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。陶瓷粉体以长条状间隔喷涂于金属板表面得到陶瓷金属板。所述多层结构中包括N个复合单元，N不小于2。两个复合单元之间放置一层金属板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为金属板。本发明具有多层梯度组织结构和多层性能梯度响应机制，表现出优异的吸能和抗冲击性能，且制备工艺适用于大尺寸、复杂形状防护装甲一体成型，具有良好的应用前景。

Description

一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制 备方法
技术领域
本发明属于结构及功能型复合结构制备技术领域，特别涉及一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法。
背景技术
自从装甲防护的概念出现至今，人们不断寻找满足优良弹道防护性能的材料。陶瓷材料凭借其高硬度、高模量、高强度及低密度的优良防护性能被广泛研究应用。目前主流的披挂装甲结构为陶瓷复合装甲，结构为陶瓷面板+金属背板。这种结构中陶瓷与金属界面波阻抗差别过大，导致产生较大的反射拉伸波，陶瓷破碎严重，影响陶瓷复合装甲结构的防护能力，有必要研制新型具有高防护能力的装甲结构材料。
微叠层装甲是一种仿生材料。受自然界中壳体的特殊结构，即高强度脆性层与韧性良好的有机层交叠结构的启发，设计并应用了“金属-金属间化合物-层合复合结构”(metal intermetalliclaminate，MIL材料)。金属间化合物提供高比模量和比强度，利用韧性金属为体系提供韧性并支撑整个叠层结构。该材料不仅通过较小的层间距和多界面效应使其具有能量耗散结构的应力场，能够有效提升叠层结构抵抗透射波和反射波的能力，提高装甲材料的断裂韧度。同时，由于金属间化合物层/金属层界面为通过反应扩散获得的冶金结合，保证了其微观结构连续性和良好的界面结合强度，该装甲材料具有低密度、高强度、高韧性和高比模量等优异性能。
20世纪90年代中期，美国奥尔巴尼研究中心的研究人员首次用真空烧结法制备了Ti/Al3Ti金属间化合物基复合结构。21世纪初，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员研发出新型材料—金属间化合物基层状复合结构(MIL)和新的制备技术----无真空烧结工艺，制备出轻质高强、环境友好、成本低廉、经济效益好的Ti-Al夹层装甲复合结构。结果表明，在给定的冲击条件下，该材料比其他密度相近的装甲材料具有更好的弹性阻力。美国加州大学实验室进行了钨合金(94W7FeCo)侵彻体以900m/s的初速率垂直入射Ti/Al3Ti复合装甲靶板(初始厚20mm)的试验。在相同条件下，最终弹丸在Ti/Al3Ti复合装甲的侵彻深度小于10mm，略优于钨合金弹丸在均质装甲钢中的侵彻深度，但MIL材料面密度却仅为装甲钢的40％。由此表明，这种微叠层复合装甲防护系数是均质装甲钢2～3倍，具有良好的应用前景。
目前，微叠层装甲强性层多为金属间化合物，但金属间化合物相硬度只有400～700HV，在用于防护材料时，虽其层状结构可以有效的实现能量的吸收、耗散或分散，但无法有效磨蚀和破坏弹头，其抗弹性能仍有待于进一步提高。而陶瓷-背板结构装甲中的陶瓷硬度高达1200HV～3000HV，因此利用微叠层装甲材料的设计思想，引入陶瓷材料，通过叠层结构获得到高强性和高韧性性相统一的防弹材料，是开发新型装甲材料的可行方向。
发明内容
本发明为解决传统陶瓷及陶瓷复合装甲防护材料抗多发弹能力较差、结构设计缺陷明显以及防护系数较低等问题，提供一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法。本发明通过熔点较低的韧性金属在热压扩展阶段，形成半固态或液态，包覆陶瓷粉末层，并通过扩散反应生成高强度的金属间化合物，使复合单元层内和层间实现冶金结合，构筑整体复合结构。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构，为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。所述的陶瓷金属板由高强度、高硬度的陶瓷粉体以长条状间隔喷涂于金属板表面制得条状陶瓷层，进而得到陶瓷金属板，其中，条状陶瓷层厚度为0.1～3mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度1-10mm，条状陶瓷层的致密度为90～99.9％。
所述多层结构中包括N个复合单元，其中N不小于2。两个复合单元之间放置一层金属板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为金属板。所述两个复合单元之间的金属板材质与一个复合单元中金属板材质相同。
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。所述的陶瓷粉体选自碳化硼、碳化钨或碳化硅，为直径50nm～500μm的球形粉体。
所述的金属板和陶瓷金属板中的金属材质选自纯铝、纯镁、纯钛、铝合金、镁合金和钛合金，厚度为0.1～20mm，厚度优选为0.1～10mm。
上述一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)将陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中烘干得到陶瓷粉末，待用；
(2)采用200#、400#砂纸依次对轻质且韧性金属板表面进行细磨，随后用丙酮、清水超声清洗板材表面，吹干待用；
(3)将步骤(1)得到的陶瓷粉末放入粉末喷涂装置，按设定的条状宽度、厚度和间隔距离在相对高熔点金属板表面喷涂条状陶瓷层，得到陶瓷金属板。
(4)将两个涂覆条状陶瓷层的陶瓷金属板交错对置，并将一层相对熔点较低的金属板置于两个陶瓷金属板之间，金属板中金属的相对熔点低于陶瓷金属板中金属的相对熔点，两层陶瓷金属板与一层金属板构成一个复合单元。多个复合单元之间也放置一层相对熔点较低的金属板，构成预制板。
(5)将预制板放入热压设备中，在300℃～1200℃下保温30～500min，同时整个保温过程加压20～300MPa，通过控制热压过程的温度、压力和时间，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合。
进一步的，所述步骤(3)中陶瓷粉末喷涂装置可以为等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂或超音速火焰喷涂装置。
进一步的，所述步骤(5)中热压设备可以为热压炉或热等静压炉。
进一步的，所述金属板可以预制成曲面等复杂形状，即可满足大面幅、复杂构件一次成形。
进一步的，所述的预制板侧向可处于自由状态，也可用模具约束(将预制板放入模具中，通过模具约束预制板侧向，将模具置于热压设备中)。
本发明提供的高致密度的陶瓷粉体层与金属及金属间化合物构筑的多复合结构，能够使多层次不同力学性能的结构叠加，促进裂纹钝化、偏转，弯曲和桥联等多种复合效应共同作用，表现为较高的能量耗散应力场，在大变形量和高冲击载荷下，仍然不会发生层间断裂失效，且其性能表现可通过叠层力学性能梯度、层间的厚度比例和扩散层产物的形态及尺寸分布有效调控。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过叠层复合结构的设计理论，利用粉末喷涂技术将陶瓷以条状结构均匀分布在高熔点金属板上，金属板对条状陶瓷起到刚性支撑作用，延缓弹体侵彻过程中陶瓷的过早失效；涂覆条状陶瓷层的韧性金属板交替对置，中间放置低熔点金属板形成的复合单元，实现了陶瓷材料在单一层上的不连续分布，有效避免陶瓷抗崩导致的防护失效。通过多个复合单元叠加，充分发挥陶瓷材料高强高硬的特点，高强高硬的陶瓷与金属箔材的高塑韧性特点互补，高、低熔点金属箔材间形成金属间化合物，界面实现冶金结合，完美包覆条状陶瓷，保证复合单元的多层整体防护。热压复合后的陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构致密性好，能够展现出优异的抗弹性能(特别是抗多发弹性能)和抗冲击性能。该材料将传统的陶瓷-背板复合装甲与微叠层装甲设计思想很好的结合在一起，也突破了陶瓷-背板结构装甲抗崩落能力较差的问题，形成陶瓷/金属复合的叠层材料新方向，展现出更加广阔的应用空间。
附图说明
图1(a)为一个复合单元中上层陶瓷金属板的俯视图，其中A为条状陶瓷层，B为高熔点韧性金属板；
图1(b)为一个复合单元中上层陶瓷金属板的正视图，其中A为条状陶瓷层，B为高熔点韧性金属板；
图1(c)为一个复合单元中下层陶瓷金属板的俯视图，其中A为条状陶瓷层，B为高熔点韧性金属板；
图1(d)为一个复合单元中下层陶瓷金属板的正视图，其中A为条状陶瓷层，B为高熔点韧性金属板；
图2为涂覆条状陶瓷层的韧性金属板，中间放置低熔点金属板所组成的单个复合单元的正视图，其中A为条状陶瓷层，B为高熔点韧性金属板，C为低熔点金属板；
图3为多个复合单元叠加组成陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构正视图，复合单元之间放置一层低熔点金属板，构成预制板；
图4为预制板经热压复合后，获得的陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法：
陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。所述的陶瓷金属板由碳化钨陶瓷粉体以长条状间隔喷涂在1mm厚TC4钛合金金属板材上，其中，条状陶瓷层厚度为0.5mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度3mm，条状陶瓷层的致密度为95％。
所述多层结构中包括6个复合单元。两个复合单元之间放置一层0.3mm的铝板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为0.3mm的铝板。
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。所述的陶瓷粉体选自碳化钨。
具体按以下步骤进行：
(1)将直径50μm的碳化钨陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中120℃烘干1小时待用。
(2)采用200#、400#砂纸依次对韧性金属板材表面进行细磨，随后用丙酮、清水超声清洗板材表面，吹干待用。
(3)将碳化钨陶瓷粉末放入火焰喷涂装置，采用火焰喷涂技术在1mm厚的TC4钛合金金属板材表面进行喷涂条状陶瓷层得到陶瓷金属板。
(4)将两个陶瓷金属板交错对置，并将一层铝板材置于两个陶瓷金属板之间，构成一个复合单元，多个复合单元之间也放置一层铝板，构成预制板。所述多个复合单元为重复结构，一个复合单元中，第一层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与第二层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。
(5)通过模具约束预制板侧向，将模具置于热等静压炉中，在600℃下保温240min，同时整个保温过程加压20MPa，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合，最终获得碳化钨陶瓷粉体增强的多层金属-金属间化合物复合结构。
实施例2：一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法：
陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。所述的陶瓷金属板由碳化钨陶瓷粉体以长条状间隔喷涂在10mm厚AZ31镁合金金属板上，其中，条状陶瓷层厚度为3mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度8mm，条状陶瓷层的致密度为90％。
所述多层结构中包括8个复合单元。两个复合单元之间放置一层5mm的镁金属板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为5mm的镁金属板。
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。所述的陶瓷粉体选自碳化硼。
具体按以下步骤进行：
(1)将直径500μm的碳化硼陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中120℃烘干1小时待用。
(2)采用200#、400#砂纸依次对韧性金属板材表面进行细磨，随后用丙酮、清水超声清洗板材表面，吹干待用。
(3)将碳化硼陶瓷粉末放入等离子喷涂装置，采用等离子喷涂技术在10mm厚的AZ31镁合金金属板表面进行喷涂条状陶瓷层得到陶瓷金属板，其中，条状陶瓷层厚度为3mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度8mm。
(4)将两个涂覆条状碳化硼陶瓷层的陶瓷金属板交错对置，并将一层5mm的镁金属板材置于两个陶瓷金属板之间，构成一个复合单元，镁合金金属板相对熔点高于镁金属板。多个复合单元之间，也放置一层镁合金金属板，构成预制板。
(5)通过模具约束预制板侧向，将模具置于热压炉中，在400℃下保温200min，同时整个保温过程加压60MPa，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合，最终获得碳化硼陶瓷粉体增强的多层金属-金属间化合物复合结构。
实施例3：一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法：
陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。所述的陶瓷金属板由碳化钨陶瓷粉体以长条状间隔喷涂在0.2mm厚的纯钛金属板上，其中，条状陶瓷层厚度为0.1mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度1mm，条状陶瓷层的致密度为99.9％。
所述多层结构中包括4个复合单元。两个复合单元之间放置一层0.1mm的TC4钛合金板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为0.1mm的TC4钛合金板。
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。所述的陶瓷粉体选自碳化硅。
具体按以下步骤进行：
(1)将直径100μm的碳化硅陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中120℃烘干1小时待用。
(2)采用200#、400#砂纸依次对韧性金属板材表面进行细磨，随后用丙酮、清水超声清洗板材表面，吹干待用。
(3)将碳化硅陶瓷粉末放入电弧喷涂装置，采用电弧喷涂技术在纯钛金属板材表面进行喷涂条状陶瓷层得到陶瓷金属板。
(4)将两个涂覆条状碳化硅陶瓷层的陶瓷金属板交错对置，并将一层TC4钛合金板(Ti6Al4V)材置于两个陶瓷金属板之间，构成一个复合单元，多个复合单元之间，也放置一层TC4钛合金板(Ti6Al4V)材，构成预制板。其中，纯钛的熔点1668℃>TC4钛合金的熔点1540～1650℃。
(5)通过模具约束预制板侧向，将模具置于热压设备中，在1000℃下保温300min，同时整个保温过程加压280MPa，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合，最终获得碳化硅陶瓷粉体增强的多层金属-金属间化合物复合结构。
实施例4：一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构及其制备方法：
陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属。所述的陶瓷金属板由碳化钨陶瓷粉体以长条状间隔喷涂在15mm厚的7A52铝合金金属板上，其中，条状陶瓷层厚度为2.5mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度8mm，条状陶瓷层的致密度为99％。
所述多层结构中包括？个复合单元。两个复合单元之间放置一层10mm的AZ31镁合金金属板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为10mm的AZ31镁合金金属板。
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合。所述的陶瓷粉体选自碳化硅。
具体按以下步骤进行：
(1)将直径280μm的碳化硅陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中120℃烘干1小时待用；
(2)采用200#、400#砂纸依次对韧性金属板材表面进行细磨，随后用丙酮、清水超声清洗板材表面，吹干待用；
(3)将碳化硅陶瓷粉末放入超音速火焰喷涂装置，采用火焰喷涂技术在7A52铝合金金属板表面喷涂条状陶瓷层得到陶瓷金属板。
(4)将两个涂覆条状碳化钨陶瓷层的陶瓷金属板交错对置，并将一层AZ31镁合金金属板置于两个陶瓷金属板之间，构成一个复合单元，多个复合单元之间，也放置一层AZ31镁合金金属板，构成预制板。
(5)通过模具约束预制板侧向，将模具置于热压设备中，在450℃下保温350min，同时整个保温过程加压180MPa，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合，最终获得碳化硅陶瓷粉体增强的多层金属-金属间化合物复合结构。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构，其特征在于，所述的陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构为多层结构，由金属板与陶瓷金属板交替堆叠，并经热压扩散实现界面复合而成，且陶瓷金属板中的金属相对熔点高于金属板中的金属；所述的陶瓷金属板包括金属板及以长条状间隔喷涂于其表面的条状陶瓷层，条状陶瓷层材质为陶瓷粉体；
所述多层结构中包括N个复合单元，其中N不小于2；两个复合单元之间放置一层金属板，且每个复合单元为三层结构，其中，上下两层为陶瓷金属板，中间层为金属板；所述两个复合单元之间的金属板材质与一个复合单元中金属板材质相同；
所述多个复合单元中，多层陶瓷金属板上喷涂的条状陶瓷片的具体要求为：每层陶瓷金属板中条状陶瓷层的中心与相邻层陶瓷金属板中相邻两个条状陶瓷层间隔的中心重合；
所述的条状陶瓷层厚度为0.1～3mm，间隔距离大于陶瓷粉体层宽度1-10mm；所述的金属板和陶瓷金属板中的金属的厚度为0.1～20mm。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构，其特征在于，所述的条状陶瓷层的致密度为90～99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构，其特征在于，所述的陶瓷粉体选自碳化硼、碳化钨或碳化硅，为直径50nm～500μm的球形粉体。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构，其特征在于，所述的金属板和陶瓷金属板中的金属材质选自纯铝、纯镁、纯钛、铝合金、镁合金和钛合金，厚度优选为0.1～10mm。
5.一种权利要求1-4任一所述的陶瓷粉体增强多层金属及金属间化合物复合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将陶瓷粉体过筛并置于干燥炉中烘干得到陶瓷粉末，待用；
(2)对金属板表面进行细磨、清洗；
(3)将步骤(1)得到的陶瓷粉末放入粉末喷涂装置，按设定的条状宽度、厚度和间隔距离在相对高熔点金属板表面喷涂条状陶瓷层，得到陶瓷金属板；
(4)将两个涂覆条状陶瓷层的陶瓷金属板交错对置，并将一层相对熔点较低的金属板置于两个陶瓷金属板之间，金属板中金属的相对熔点低于陶瓷金属板中金属的相对熔点，两层陶瓷金属板与一层金属板构成一个复合单元；多个复合单元之间也放置一层相对熔点较低的金属板，构成预制板；
(5)将预制板放入热压设备中，在300℃～1200℃下保温30～500min，同时整个保温过程加压20～300MPa，通过控制热压过程的温度、压力和时间，使两种韧性金属形成以金属间化合物为主的界面冶金结合。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中粉末喷涂装置可以为等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂或超音速火焰喷涂装置。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中热压设备可以为热压炉或热等静压炉。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112267087A (zh) * 2020-09-30 2021-01-26 大连理工大学宁波研究院 一种轻质高强防护复合材料及其制备方法
CN114559044A (zh) * 2022-03-15 2022-05-31 哈尔滨工业大学 一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法

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