CN111516314B - 一种aba型三明治复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种ABA型三明治复合材料，其特征是，所述ABA型三明治复合材料由三层组成，上、下层为金属层状复合材料，芯层为金属空心球复合材料；所述金属层状复合材料为钛铝层状复合材料，所述金属空心球复合材料为铝基的不锈钢空心球复合材料，经真空热压烧结方法一步成形得到的ABA型三明治复合材料。本发明将钛铝层状复合材料和铝基的金属空心球复合材料进行复合，获得了一种界面结合良好、一次形成的新型三明治复合材料，结合了钛铝层状复合材料韧性层脆性层结合、多界面和铝基的金属空心球复合材料轻质吸能的优势，有利于开发成为新型三明治复合装甲材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料及其制备方法，尤其涉及ABA型三明治复合材料及其制备方法，属于高性能装甲防护技术领域。
背景技术
装甲防护是制约武器系统生存能力最为基础也是最为关键的组成部分，装甲防护所需材料主要由金属装甲、陶瓷装甲、凯夫拉(芳纶复合材料)装甲材料等。其中，陶瓷装甲和金属装甲为均质装甲材料，它们的装甲厚度常常在一米以上，存在质量大、机动性较差的局限性。凯夫拉装甲材料虽具有高强、高韧等优势，轻质的同时抵御穿甲弹侵彻能力，其中的纤维拉伸以阻挡弹体冲击起到了显著作用，但其在户外长期使用容易发生老化，导致使用寿命较低。由此可见，现有装甲防护系统所用材料，均存在或多或少的局限性，影响了它们在工程上的应用。在现有装甲防护材料存在局限性的基础上，发展了新型的复合装甲系统和新型装甲防护材料，均朝着轻质、厚度小、可设计性强、便于维护等特点的方向发展。如，间隙复合材料、蜂窝结构复合材料、三明治复合材料等，以减少装甲结构的重量和厚度，克服现有装甲系统的部分局限性，提高装甲结构和材料的可设计性和可更换性。
随着新材料的不断涌现，尤其是金属层状复合材料和金属空心球复合材料的出现，使得轻质高性能装甲防护结构的发展提供了新的思路。主要是因为金属层状材料是由两种材料的金属板材以交替排布的方式通过热压烧结等方法复合而成，其具有独特的多界面设计和微观结构，脆性裂纹、层裂、裂纹偏转等方式使得材料的吸能性能较高。而金属空心球复合材料是一种以毫米级金属空心球充当造孔剂制备的复合金属泡沫，通过铸造或粉末冶金的方法将金属空心球和铝(合金)金属基体进行结合。这种金属基金属空心球泡沫具有轻质、吸能的优点，在强度上优于发泡金属，能够在载荷下吸收大量能量，具有发展成为装甲材料的前景。
随着装甲防护结构的不断更新，现在常用的三明治结构作为装甲防护结构的热门系统，越来越引起人们的重视。三明治复合材料是由上下两层金属板及夹芯层材料组成的，如以PET为夹芯、金属板为外层的三明治复合材料，可根据要求性能的不同，可进行设计，并在较多领域获得了应用。
发明内容
一种ABA型三明治复合材料，所述ABA型三明治复合材料由三层组成，上、下层为金属层状复合材料，芯层为金属空心球复合材料；
所述金属层状复合材料为钛铝层状复合材料，所述金属空心球复合材料为铝基的不锈钢空心球复合材料，经真空热压烧结方法一步成形得到的ABA型三明治复合材料。
本发明还包括如下特征：
1.由以下工艺制备：
将上层-芯层-下层的材料依顺序放入模具中压实，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结；
加热至450℃，加热过程中保持压力10-15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10-15MPa；
加热至550-600℃，加热过程中将压力降低至5-10MPa；在580-600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3-5MPa，最后随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料。
2.所述钛铝层状复合材料由三层组成，按照“钛板-铝板-钛板”的顺序进行排布。
3.所述钛板为TC4钛合金板材，铝板为1100纯铝板材。
5、根据权利要求1所述的ABA型三明治复合材料，其特征是，所述铝基的不锈钢空心球复合材料由铝粉和金属空心球进行均匀混合而成，其中金属空心球随机均匀分布在铝粉中。
4.所述铝粉为1100纯铝粉，金属空心球为316L不锈钢金属空心球。
一种制备权利要求1所述的ABA型三明治复合材料的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：制备金属层状复合材料和金属空心球复合材料；
步骤二：按照金属层状复合材料-金属空心球复合材料-金属层状复合材料的顺序叠放在热压模具中，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结，随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料。
所述金属层状复合材料采用真空或无真空热压烧结方法制备，所述金属空心球复合材料采用真空热压烧结的方法制备，所述金属空心球复合材料需要在模具中热压成形。
制备工艺具体为：
将上层-芯层-下层的材料依顺序放入模具中压实，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结；
加热至450℃，加热过程中保持压力10-15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10-15MPa；
加热至550-600℃，加热过程中将压力降低至5-10MPa；在580-600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3-5MPa，最后随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料。
主要从以下几个方面说明本发明的特点和技术原理：
1、三明治复合材料的设计原理：作为新型装甲材料中的三明治复合材料，选用金属层状复合材料作为外层材料，利用脆性层、韧性层结合和多界面的微结构特点，充分发挥使弹道方向发生偏移和转变压力类型的作用；选用金属空心球复合材料作为芯层，充分利用其轻质和高吸能的性能优势。
2、三明治复合材料制备工艺：在本发明的ABA型三明治复合材料中，金属层状复合材料材料(A)可以由真空或无真空热压烧结方法成功制备；金属空心球复合材料(B)可以利用粉末冶金原理，通过真空热压烧结的方法成功制备。区别在于，金属空心球复合材料需要在模具中热压成形。由此，选用大小合适的模具，将原材料板材加工为模具内径尺寸，将原材料按照“金属层状复合材料(A)-金属空心球复合材料(B)-金属层状复合材料(A)”的顺序进行叠放在热压模具中，进行热压烧结，通过一次成形的方法获得ABA型三明治复合材料。
3、三明治复合材料的结合原理：在本发明中，ABA型三明治复合材料由多种组元复合而成。在钛铝层状复合材料中，通过热压烧结的方法，使钛板和铝板之间发生冶金反应而产生结合，反应产物主要是金属间化合物Al3Ti。在铝基的金属空心球复合材料中，通过粉末冶金的方法，使不锈钢金属空心球和铝粉基体间发生冶金反应而产生结合，反应产物是铁铝金属间化合物。在钛铝层状复合材料和金属空心球复合材料复合过程中，其界面是钛板/铝粉接触界面，经热压烧结方法产生冶金结合，反应产物主要是金属间化合物Al3Ti。
本发明有益效果为：
本发明将钛铝层状复合材料和铝基的金属空心球复合材料进行复合，获得了一种界面结合良好、一次形成的新型三明治复合材料，结合了钛铝层状复合材料韧性层脆性层结合、多界面和铝基的金属空心球复合材料轻质吸能的优势，有利于开发成为新型三明治复合装甲材料。
本发明以金属层状复合材料为外层，金属空心球复合材料为芯层，将金属层状复合材料和金属空心球复合材料以ABA型三明治型结构方式进行组合设计，设计和制备出一种轻质、高强度、高吸能性特性的具有三明治结构的复合材料，该复合材料易于成形、各组元间结合良好，具有优异的力学性能。
附图说明
图1为本发明的三明治复合材料结构示意图，其中：1是钛板；2是铝板；3是金属空心球；4是金属基体。
图2为本发明实施例2中的ABA型三明治复合材料。
图3为本发明实施例3中的ABA型三明治复合材料的微观结构图。
图4为本发明实施例3中的ABA型三明治复合材料中金属层状复合材料的界面微观结构。
图5为本发明实施例4中ABA型三明治复合材料中铝基的金属空心球复合材料的微观组织。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
本发明的目的在于提供一种轻质、高强度、高吸能性特性的具有三明治结构的复合材料。本发明的目的还在于提供一种各组元间的结合和成形良好，所得到的材料力学性能优异的三明治复合材料的制备方法。
具体地来说，是一种金属层状复合材料与金属空心球复合材料组成的三明治复合材料，是以金属层状材料为外层(A)，金属空心球复合材料为芯层(B)，经真空热压烧结方法一步成形得到的ABA型三明治复合材料。
ABA型三明治复合材料由三层组成，上、下层为金属层状复合材料，芯层为金金属空心球复合；
上文所述的金属层状复合材料，还可以具有如下特征：
(1)金属层状复合材料为钛铝层状复合材料；
(2)钛铝层状复合材料由三层组成，按照“钛板-铝板-钛板”的顺序进行排布。
(3)钛板为TC4钛合金板材，铝板为1100纯铝板材。
上文所述的金属空心球复合材料，可以具有如下特征：
(1)金属空心球复合材料为铝基的不锈钢空心球复合材料；
(2)原材料为铝粉和金属空心球；
(3)铝粉为1100纯铝粉，金属空心球为316L不锈钢金属空心球；
(4)铝粉和金属空心球进行均匀混合，金属空心球随机均匀分布在铝粉中。
将原材料依顺序放入模具中压实，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结。
加热至450℃，加热过程中保持压力10-15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10-15MPa；加热至550-600℃，加热过程中将压力降低至5-10MPa；在580-600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3-5MPa；最后随炉冷却至室温。
实施例1
步骤一，原材料准备。选取0.5mm厚的TA1钛合金板材、0.9mm厚的1100铝合金板材切割成直径为40mm的圆片，用砂纸对金属圆片表层进行打磨，去除表层氧化物。将打磨后的金属圆片和100个316L不锈钢金属空心球在酒精中清洗15min后取出用吹风机吹干。将20g1100纯铝粉放入烘箱中烘干4-6小时。将100个金属空心球与20g纯铝粉混合均匀。按照TA1钛合金板材-1100铝合金板材-TA1钛合金板材-混合铝粉-TA1钛合金板材-1100铝合金板材-TA1钛合金板材的顺序将原材料叠放在热压模具中。
步骤二，复合材料烧结制备。将热压模具放入真空热压炉的上下压头之间。加热至450℃，加热过程中保持压力15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力15MPa；加热至580-600℃，加热过程中将压力降低至10MPa；在580℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在5MPa；最后随炉冷却至室温。
实施例2
步骤一，原材料准备。选取0.5mm厚的TC4钛合金板材、0.9mm厚的1100铝合金板材切割成直径为40mm的圆片，用砂纸对金属圆片表层进行打磨，去除表层氧化物。将打磨后的金属圆片和150个316L不锈钢金属空心球在酒精中清洗15min后取出用吹风机吹干。将20g1100纯铝粉放入烘箱中烘干4-6小时。将150个金属空心球与20g7075铝合金粉混合均匀。按照TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材-混合铝粉-TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材的顺序将原材料叠放在热压模具中。
步骤二，复合材料烧结制备。将热压模具放入真空热压炉的上下压头之间。加热至450℃，加热过程中保持压力12MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力12MPa；加热至580-600℃，加热过程中将压力降低至8MPa；在580℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3MPa；最后随炉冷却至室温。
实施例3
步骤一，原材料准备。选取0.5mm厚的TC4钛合金板材、0.9mm厚的1100铝合金板材切割成直径为40mm的圆片，用砂纸对金属圆片表层进行打磨，去除表层氧化物。将打磨后的金属圆片和150个316L不锈钢金属空心球在酒精中清洗15min后取出用吹风机吹干。将20g1100纯铝粉放入烘箱中烘干4-6小时。将150个金属空心球与45g纯铝粉混合均匀。按照TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材-混合铝粉-TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材的顺序将原材料叠放在热压模具中。
步骤二，复合材料烧结制备。将热压模具放入真空热压炉的上下压头之间。加热至450℃，加热过程中保持压力15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力15MPa；加热至580-600℃，加热过程中将压力降低至10MPa；在600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在5MPa；最后随炉冷却至室温。
实施例4
步骤一，原材料准备。选取0.5mm厚的TC4钛合金板材、0.5mm厚的1100铝合金板材切割成直径为40mm的圆片，用砂纸对金属圆片表层进行打磨，去除表层氧化物。将打磨后的金属圆片和50个316L不锈钢金属空心球在酒精中清洗15min后取出用吹风机吹干。将20g1100纯铝粉放入烘箱中烘干4-6小时。将150个金属空心球与20g纯铝粉混合均匀。按照TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材-混合铝粉-TC4钛合金板材-1100铝合金板材-TC4钛合金板材的顺序将原材料叠放在热压模具中。
步骤二，复合材料烧结制备。将热压模具放入真空热压炉的上下压头之间。加热至450℃，加热过程中保持压力10MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10MPa；加热至580-600℃，加热过程中将压力降低至5MPa；在570℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3MPa；最后随炉冷却至室温。
综上所述：本发明提供的是一种ABA型三明治复合材料及其制备方法，是以钛铝层状复合材料为外层、铝基的金属空心球复合材料为芯层，通过热压烧结方法制备成三明治复合材料。将钛板、铝板切割成热压模具内腔形状，将铝粉末和金属空心球按一定比例进行混合，将原材料按照“钛板-铝板-钛板-混合粉体-钛板-铝板-钛板”的顺序叠放在热压模具中，将模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结得到三明治复合材料。本发明将钛铝层状复合材料和铝基的金属空心球复合材料进行复合，获得了一种界面结合良好、一次形成的新型三明治复合材料，结合了钛铝层状复合材料韧性层脆性层结合、多界面和铝基的金属空心球复合材料轻质吸能的优势，有利于开发成为新型三明治复合装甲材料。
Claims (6)
1.一种ABA型三明治复合材料，其特征是，所述ABA型三明治复合材料由三层组成，上、下层为金属层状复合材料，芯层为金属空心球复合材料；
所述金属层状复合材料为钛铝层状复合材料，所述金属空心球复合材料为铝基的不锈钢空心球复合材料，经真空热压烧结方法一步成形得到的ABA型三明治复合材料；
由以下工艺制备：
将上层-芯层-下层的材料依顺序放入模具中压实，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结；
加热至450℃，加热过程中保持压力10-15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10-15MPa；
加热至550-600℃，加热过程中将压力降低至5-10MPa；在580-600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3-5MPa，最后随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料；
所述钛铝层状复合材料由三层组成，按照“钛板-铝板-钛板”的顺序进行排布；所述铝基的不锈钢空心球复合材料由铝粉和金属空心球进行均匀混合而成，其中金属空心球随机均匀分布在铝粉中。
2.根据权利要求1所述的ABA型三明治复合材料，其特征是，所述钛板为TC4钛合金板材，铝板为1100纯铝板材。
3.根据权利要求1所述的ABA型三明治复合材料，其特征是，所述铝粉为1100纯铝粉，金属空心球为316L不锈钢金属空心球。
4.一种制备权利要求1所述的ABA型三明治复合材料的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：制备金属层状复合材料和金属空心球复合材料；
步骤二：按照金属层状复合材料-金属空心球复合材料-金属层状复合材料的顺序叠放在热压模具中，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结，随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备ABA型三明治复合材料的方法，其特征是，所述金属层状复合材料采用真空或无真空热压烧结方法制备，所述金属空心球复合材料采用真空热压烧结的方法制备，所述金属空心球复合材料需要在模具中热压成形。
6.根据权利要求4所述的制备ABA型三明治复合材料的方法，其特征是，制备工艺具体为：
将上层-芯层-下层的材料依顺序放入模具中压实，放入真空热压烧结炉中进行加压烧结；
加热至450℃，加热过程中保持压力10-15MPa；在450℃保温30min，保温过程中保持压力10-15MPa；
加热至550-600℃，加热过程中将压力降低至5-10MPa；在580-600℃保温2h，保温过程中将压力降低并保持在3-5MPa，最后随炉冷却至室温得到ABA型三明治复合材料。
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