CN112066804A - 一种w基叠层复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种W基叠层复合材料，包括钨层和韧性金属层，钨层和韧性金属层交替叠层放置，通过加热和加压处理，形成W基叠层复合材料。本发明还公开了该W基叠层复合材料的制备方法，首先，分别对钨层和韧性金属层的表面进行清洗，再将清洗后的钨层和韧性金属层交替叠放，之后再将叠层的试样放置在模具中，进行加压并且加热，冷却，即可得到W基叠层复合材料。本发明的W基叠层复合材料，将高强度、高硬度的钨合金和韧性好、耐冲击的韧性金属通过叠层结构结合在一起，通过叠层结构设计，在微米尺度上形成多层结构，增加材料界面，进而提升材料的抗侵彻能力，有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种W基叠层复合材料，还涉及该W基叠层复合材料的制备方法。
背景技术
装甲防护是坦克、装甲车辆、武装直升机等武器装备在战场生存的重要保障，已经成为了评价武器系统的基本性能之一。目前应用较为广泛的装甲材料主要包括金属装甲、陶瓷及其复合材料装甲、玻璃钢、凯夫拉(芳纶复合材料)等类型。但是单一结构装甲由于自身材料性能，以及结构上的限制，已经很难满足装甲材料在战场的需求。因此，逐渐发展了梯度装甲材料。所谓梯度装甲材料是指材料含量沿厚度方向呈连续或阶梯变化的装甲材料。这种装甲材料在兼具“硬层”良好的抗侵彻性能同时，又兼有“软层”优异的韧性。这种“软硬”交替的结构设计，构建了层层设防的结构，一方面可以通过梯度界面降低穿甲弹对防护对象的损伤，同时还可以提升装甲材料抗多次打击能力。因此，梯度结构是未来装甲材料发展的重要方向。
在目前的穿甲弹中，主要应用的是钨合金弹头，这种弹头重量大，硬度高，对普通装甲材料形成了很大威胁。要想形成很好的防护效果，必须采用对应的高强度材料。在这其中，钨合金成为了理想的装甲材料。但是由于钨自身密度大，并且韧性差，很难满足装甲材料的需求。在钨中引入其他高韧性，低密度金属，如铝、铁、铜、钛等韧性金属，可以在减小密度的同时为材料提供韧性。但是如何通过材料结构和制备工艺设计将钨和铝、铁、铜、钛等韧性金属有机地结合起来，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种W基叠层复合材料，解决了现有技术中钨作为装甲材料密度大且韧性差的问题。
本发明的另一目的是提供上述W基叠层复合材料的制备方法，该方法制备工艺简单，生产效率高。
本发明所采用的技术方案是，一种W基叠层复合材料，包括钨层和韧性金属层，钨层和韧性金属层交替叠层放置，通过加热和加压处理，得到W基叠层复合材料；W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm。
本发明的特点还在于，
钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
本发明所采用的另一技术方案是，一种W基叠层复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别对钨层和韧性金属层的表面进行清洗；
步骤2，将清洗后的钨层和韧性金属层交替叠放，之后再将叠层的试样放置在模具中，在保护气体中进行热处理，即进行加压并且加热，待炉温冷却到100℃以下出炉，即可得到W基叠层复合材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中，具体为：
步骤1.1，将钨层和韧性金属层表面用砂纸打磨，去除表面氧化物和杂质，同时保证材料的表面平整度；
钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；
韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；
钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm；
韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm；
步骤1.2，将步骤1.1中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的氢氧化钠溶液，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
步骤1.3，将步骤1.2中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的酸溶液中，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸、硫酸溶液中的任意一种；
步骤1.4、将步骤1.3中的钨层和韧性金属层分别放入无水乙醇中，超声清洗10～600s，之后放置在50～100℃真空烘箱中干燥0.5～3小时，密封保存待用。
步骤2中，热处理温度为500～1400℃，保温时间为0.5～4h，在保温阶段施加压力为0～60Mpa。
步骤2中，保护气体为真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气、氨气分解得到气体中的任意一种。
步骤2中，W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的W基叠层复合材料，将高强度、高硬度的钨合金和韧性好、耐冲击的韧性金属通过叠层结构结合在一起，在实现材料高硬度和高韧性相互协调，相互结合的同时，通过叠层结构设计，在微米尺度上形成多层结构，增加材料界面，进而提升材料的抗侵彻能力，有着广阔的应用前景；
(2)本发明在高温和压力作用下通过钨与韧性金属之间的机械结合以及界面冶金结合，形成强的界面结合；
(3)本发明获得叠层之间界面结合强度高，可以实现大尺寸W基叠层复合材料制备，生产工艺简单，生产效率高，成本适中，适用于批量生产，在装甲材料等行业有巨大的应用潜力。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种W基叠层复合材料，包括钨层和韧性金属层，钨层和韧性金属层交替叠层放置，通过加热和加压处理，得到W基叠层复合材料；
钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；
韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；
钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm；
本发明一种W基叠层复合材料，由“硬层”、“软层”及界面层构成，“硬层”为钨或者钨合金层，钨含量在90％～99.9％，其余为铜、镍、钼、铌等一种或多种金属元素；“软层”为韧性金属层，主要包括铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；界面层主要是钨与韧性金属之间的冶金结合层或钨韧性金属之间反应形成的反应层。
本发明一种W基叠层复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别对钨层和韧性金属层的表面进行清洗，具体为：
步骤1.1，将钨层和韧性金属层表面用砂纸打磨，去除表面氧化物和杂质，同时保证材料的表面平整度；
钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；
韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；
钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm；
步骤1.2，将步骤1.1中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的氢氧化钠溶液，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
步骤1.3，将步骤1.2中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的酸溶液中，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸、硫酸溶液中的任意一种；
步骤1.4、将步骤1.3中的钨层和韧性金属层分别放入无水乙醇中，超声清洗10～600s，之后放置在50～100℃真空烘箱中干燥0.5～3小时，密封保存待用；
步骤2，将清洗后的钨层和韧性金属层交替叠放，之后再将叠层的试样放置在模具中，在保护气体中进行热处理，即进行加压并且加热，待炉温冷却到100℃以下出炉，即可得到W基叠层复合材料；
热处理温度为500～1400℃，保温时间为0.5～4h，在保温阶段施加压力为0～60Mpa；
保护气体为真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气、氨气分解得到气体中的任意一种；
坩埚为石墨模具或金属模具；
实施例1
步骤1、选择纯钨箔材和纯铝箔材作为基材：取纯钨箔材和纯铝箔材各20片，尺寸均为：50mm(长)×50mm(宽)×0.05mm(厚)。
纯钨箔材按照质量百分比由以下成分组成：W>99.9％，其余为Al，Ca，Fe，Mg等杂质；纯铝箔材按照质量百分比由以下成分组成：Al>99.9％，其余为Si，Cu，Fe，Mg等杂质；
对纯钨箔材和纯铝箔材进行清洗：对纯钨箔材和纯铝箔材表面用砂纸进行打磨，清除表面杂质的同时保证结合面的平整度，之后用浓度为5％的氢氧化钠溶液和浓度为5％的硝酸溶液超声清洗10s，再在无水乙醇中清洗30分钟，之后在60℃真空烘箱中保温2小时烘干。
步骤2、将经过清洗的纯钨箔材和纯铝箔材交替叠层，放置在石墨模具中，将装有箔材的模具放置于通有氮气保护气氛中的炉中加热，加热温度为550℃，保温时间为2h，在保温阶段施加30MPa压力，待炉温冷却到不高于100℃出炉，即可以得到W-Al叠层复合材料。
实施例2
步骤1、选择纯钨箔材和纯铁箔材作为基材：取纯钨箔材和纯铁箔材各20片，尺寸均为：100mm×100mm×0.2mm。
纯钨箔材按照质量百分比由以下成分组成：W>99.9％，其余为Al，Ca，Fe，Mg等杂质；纯铁箔材按照质量百分比由以下成分组成：Fe>99.8％，其余为C，S，O，N等杂质。
对纯钨箔材和纯铁箔材进行清洗：对纯钨箔材和纯铁箔材表面用砂纸进行打磨，清除表面杂质的同时保证结合面的平整度，之后用浓度为5％的氢氧化钠溶液和浓度为5％的硝酸溶液超声清洗10s，再在无水乙醇中清洗30分钟，之后在60℃真空烘箱中保温2小时烘干。
步骤2、将经过清洗的纯钨箔材和纯铁箔材交替叠层，放置在石墨模具中。将装有箔材的模具放置于通有氮气保护气氛中的炉中加热，加热温度为1100℃，保温时间为1h，在保温阶段施加60MPa压力，待炉温冷却到不高于100℃出炉，即可以得到W-Fe叠层复合材料；
实施例3
步骤1、选择钨合金箔材和纯钛箔材作为基材：
取钨合金箔材和纯钛箔材各10片，尺寸均为：100mm×100mm×2mm。
钨合金箔材按照质量百分比由以下成分组成：Ni<10％，W>90％，其余为杂质；纯钛箔材按照质量百分比由以下成分组成：Ti>98％，其余为C，S，O，N等杂质。
对钨合金箔材和纯钛箔材进行清洗：对钨合金箔材和纯钛箔材表面用砂纸进行打磨，清除表面杂质的同时保证结合面的平整度，之后用浓度为10％的氢氧化钠溶液和浓度为10％的硝酸溶液超声清洗10s，再在无水乙醇中清洗30分钟，之后在60℃真空烘箱中保温2小时烘干。
步骤2、将经过清洗的钨合金箔材和纯钛箔材交替叠层，放置在金属模具中。将装有箔材的模具放置于通有氮气保护气氛中的炉中加热，加热温度为1200℃，保温时间为0.5h，在保温阶段施加30MPa压力，待炉温冷却到不高于100℃出炉，即可以得到W-Ti叠层复合材料。
Claims (8)
1.一种W基叠层复合材料，其特征在于，包括钨层和韧性金属层，钨层和韧性金属层交替叠层放置，通过加热和加压处理，得到W基叠层复合材料；所述W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm。
2.根据权利要求1所述的一种W基叠层复合材料，其特征在于，所述钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；所述钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
3.根据权利要求1所述的一种W基叠层复合材料，其特征在于，所述韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；所述韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm。
4.一种W基叠层复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别对钨层和韧性金属层的表面进行清洗；
步骤2，将清洗后的钨层和韧性金属层交替叠放，之后再将叠层的试样放置在模具中，在保护气体中进行热处理，即进行加压并且加热，待炉温冷却到100℃以下出炉，即可得到W基叠层复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种W基叠层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：
步骤1.1，将钨层和韧性金属层表面用砂纸打磨，去除表面氧化物和杂质，同时保证材料的表面平整度；
钨层为钨及钨合金片或者钨及钨合金箔；
韧性金属层为铝及铝合金片、铝及铝合金箔、铁及铁合金片、铁及铁合金箔、铜及铜合金片、铜及铜合金箔、钛及钛合金片、钛及钛合金箔中的任意一种；
钨层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm；
韧性金属层的厚度为0.05～2mm，宽度为5～1000mm，长度为5～1000mm；
步骤1.2，将步骤1.1中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的氢氧化钠溶液，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
步骤1.3，将步骤1.2中的钨层和韧性金属层分别放入质量浓度为1％～10％的酸溶液中，超声清洗10～60s，之后分别在去离子水或者蒸馏水中超声清洗10～30s，去除残留溶液；
酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸、硫酸溶液中的任意一种；
步骤1.4、将步骤1.3中的钨层和韧性金属层分别放入无水乙醇中，超声清洗10～600s，之后放置在50～100℃真空烘箱中干燥0.5～3小时，密封保存待用。
6.根据权利要求4所述的一种W基叠层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，热处理温度为500～1400℃，保温时间为0.5～4h，在保温阶段施加压力为0～60Mpa。
7.根据权利要求4所述的一种W-Al叠层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，保护气体为真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气、氨气分解得到气体中的任意一种。
8.根据权利要求4所述的一种W基叠层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，W基叠层复合材料的厚度为1-100mm，宽度为5-1000mm，长度为5-1000mm。
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