CN113234967B - 一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法，本发明涉及一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法。本发明是要解决传统陶瓷复合装甲结构面密度、厚度大和抗多发弹性能差的问题。它为三层梯度结构；外层为密排的陶瓷柱体、陶瓷球体和B4C陶瓷粉体共同增强的铝基复合材料；中间层为高体积分数的B4C/Al复合材料；内层为中体积分数的B4C/Al复合材料；方法：一、密排陶瓷柱体；二、陶瓷球体填充柱体间隙；三、B4C粉体填充间隙；四、逐层铺陈预制体粉体；五、振实并冷压制备成预制体；六、熔融铝液，采用压力浸渗将熔炼的铝液压入预制体的剩余间隙中，保压，脱模。本发明用于抗30mm穿甲弹装甲结构。

Description

一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，反装甲武器威力的日益增强，对装甲防护层的要求也越来越高。单纯通过加厚装甲防护层的方法来提升防护作用势必会严重影响武器系统的作战机动性和快速反应能力。陶瓷应用于装甲领域是坦克防护技术的一次革命，陶瓷复合装甲结构也成为了世界上主流的轻量化装甲结构形式，其中具有代表性的就是英国研制的“乔巴姆装甲”，其结构大体为“钢/陶瓷/钢”的三明治结构。但其结构的防护机理为：高硬度的陶瓷在背部钢板有效支撑和面板约束的作用下，侵蚀、钝化和破碎弹体，降低了弹体侵彻能力；陶瓷破碎形成陶瓷锥吸收冲击动能，传递冲击载荷；背板通过变形吸收剩余能量。在协同作用下，这种结构起到了“1+1+1>>3”的效果。
但陶瓷复合装甲结构存在一定的缺点使其难以满足未来战场的需求。陶瓷材料脆性大，单块板的陶瓷材料虽然对单发弹体的防护能力很好，但冲击后整块陶瓷破碎严重，难以防御后续着靶的弹体；另外，为了进一步提高陶瓷材料抗弹能力，陶瓷复合装甲结构往往需要约束结构对陶瓷进行约束，以延迟其破碎的时间。这种简单的整块陶瓷的约束结构会降低整块靶板的防护有效面积。尽管有些装甲结构使用了陶瓷单元密排的结构，但陶瓷单元之间往往填充环氧树脂或其他强度不高的材料进行约束，这很难起到有效约束的作用，并且弹体冲击时极易出现大面积的脱落。
发明内容
本发明是要解决传统陶瓷复合装甲结构面密度、厚度大和抗多发弹性能差的问题。而提供一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料及其制备方法。
一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为三层梯度结构；外层为密排的陶瓷柱体、陶瓷球体和B4C陶瓷粉体共同增强的铝基复合材料，所述陶瓷球体填充在密排的陶瓷柱体的柱体间隙内，外层中陶瓷相的总体积分数大于90％；中间层为高体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为60～75％；内层为中体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为25～55％；所述抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为压力浸渗一体化制备，具备冶金结合界面。
上述一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：
一、将陶瓷柱体和陶瓷球体分别采用酒精超声清洗，吹干，以钢模具的中心为起点向外将若干个陶瓷柱体均匀布置在钢模具中紧密排列成密排的陶瓷柱体，陶瓷柱体高度保持一致；将陶瓷球体置于陶瓷柱体的间隙中，直至陶瓷球体叠加高度与陶瓷柱体高度一致，得到待填充模具；
二、向待填充模具中填充B4C陶瓷粉体，通过振动台振动，使得B4C陶瓷粉体填入待填充模具的间隙中，得到外层预制体；
三、将中间层预制体粉体铺陈于模具中，通过振动台振实，然后将内层预制体粉体铺陈于模具中，再通过振动台振实，得到待冷压坯料；所述中间层预制体粉体是粒径为1～500μm的B4C粉体，内层预制体粉体是粒径为1～50μm的B4C粉体；
四、将待冷压坯料在压力为5～100MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为500～700℃的条件下保温2～6h，得到材料预制体；
五、将含铝材料在温度为700～900℃条件下熔炼2～6h，得到含铝熔液；所述含铝材料为铝或铝合金；
六、采用压力浸渗将含铝熔液浇注并加压浸渗到材料预制体的间隙中，在压力为30～250MPa的条件下保压5～30min后直接脱模，然后放入炉中退火处理，随炉冷却，得到抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料。
本发明的有益效果：
本发明采用分离陶瓷单元密排的方式在结构具备优异抗侵彻能力的同时，使得损伤局域化，降低了整体结构的损伤；陶瓷球体填充了柱体之间的间隙，可以有效降低穿甲弹着弹位置不同导致的抗弹性能差距明显的问题；颗粒增强铝基复合材料有效约束陶瓷柱体和球体，延迟了陶瓷单元的失效时间，提高了靶板与弹体作用时间；梯度结构的存在降低了各层间波阻抗的差距，从而降低反射拉伸波的强度，进一步减少靶板损伤；各梯度层之间宏观界面为冶金结合，界面结合强度高，在弹体侵彻过程中可以有效提供剪切耦合；相比于传统的陶瓷复合装甲结构，本发明的装甲结构起到有效防护的面密度更低，并且具备更加优异的抗多发弹能力。
附图说明
图1为抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料外层的结构示意图；其中A为陶瓷柱体；B为陶瓷球体；C为B4C陶瓷粉体；
图2为抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料的结构示意图；
图3为陶瓷柱体的排布示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为三层梯度结构；外层为密排的陶瓷柱体、陶瓷球体和B4C陶瓷粉体共同增强的铝基复合材料，所述陶瓷球体填充在密排的陶瓷柱体的柱体间隙内，外层中陶瓷相的总体积分数大于90％；中间层为高体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为60～75％；内层为中体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为25～55％；所述抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为压力浸渗一体化制备，具备冶金结合界面。
本实施方式中第一层陶瓷柱体和球体被颗粒增强的B4C/Al复合材料有效约束；球体存在的目的为提高着弹点位于柱体间隙时的防护能力，从而解决着弹点不同导致的防护能力差距过大的问题。陶瓷含量由面板至背板逐渐降低的目的是降低各层间波阻抗的差距，从而降低反射拉伸波的强度，减少靶板损伤。该结构的防护机理为：高陶瓷含量的第一层磨蚀并破碎弹体；第二层起到对第一层的有效支撑和过渡作用，防止面板和背板波阻抗差距过大导致的反射拉伸波过大的问题；第三层中体分B4C/Al具有一定的塑性，塑性变形吸收剩余能量。陶瓷单元可以使得损伤局域化，降低靶板损伤；梯度结构进一步降低损伤。该结构具有优异的抗侵彻和抗多发弹性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述陶瓷柱体和陶瓷球体的材质为B4C或SiC，且陶瓷柱体和陶瓷球体为同一材质。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述陶瓷柱体为规则的圆柱体或端面带弧面的圆柱体；高度为15～20mm，长径比为0.5～1.5。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述陶瓷球体的半径为陶瓷柱体半径的0.1～0.15。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述陶瓷柱体的尺寸为
Figure BDA0003058166030000031
陶瓷球体的直径为
Figure BDA0003058166030000032
B4C陶瓷粉体的粒径为20μm，外层中陶瓷相的总体积分数为95％。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述陶瓷柱体的尺寸为
Figure BDA0003058166030000033
陶瓷球体的直径为
Figure BDA0003058166030000034
B4C陶瓷粉体的粒径为5μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述高体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，粒径为1～500μm，其预制体粉体是通过级配不同粒径的B4C粉体得到。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述高体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，粒径为5～150μm，陶瓷相的体积分数为70％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述中间层的厚度为20mm。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述中体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，粒径为1～50μm，其预制体粉体为单一粒径的B4C粉体或B4C-Al粉的混合粉体。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：所述内层的厚度为20mm。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：所述中体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，其预制体粉体为B4C-Al粉的混合粉体，陶瓷相的体积分数为30％。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：所述抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料中每层厚度为15～25mm，整体厚度为45～60mm。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：
一、将陶瓷柱体和陶瓷球体分别采用酒精超声清洗，吹干，以钢模具的中心为起点向外将若干个陶瓷柱体均匀布置在钢模具中紧密排列成密排的陶瓷柱体，陶瓷柱体高度保持一致；将陶瓷球体置于陶瓷柱体的间隙中，直至陶瓷球体叠加高度与陶瓷柱体高度一致，得到待填充模具；
二、向待填充模具中填充B4C陶瓷粉体，通过振动台振动，使得B4C陶瓷粉体填入待填充模具的间隙中，得到外层预制体；
三、将中间层预制体粉体铺陈于模具中，通过振动台振实，然后将内层预制体粉体铺陈于模具中，再通过振动台振实，得到待冷压坯料；所述中间层预制体粉体是粒径为1～500μm的B4C粉体，内层预制体粉体是粒径为1～50μm的B4C粉体或B4C-Al粉的混合粉体；
四、将待冷压坯料在压力为5～100MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为500～700℃的条件下保温2～6h，得到材料预制体；
五、将含铝材料在温度为700～900℃条件下熔炼2～6h，得到含铝熔液；所述含铝材料为铝或铝合金；
六、采用压力浸渗将含铝熔液浇注并加压浸渗到材料预制体的间隙中，在压力为30～250MPa的条件下保压5～30min后直接脱模，然后放入炉中退火处理，随炉冷却，得到抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十五不同的是：步骤一中所述钢模具的内模为方形。其它与具体实施方式十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十五或十六不同的是：步骤四中将待冷压坯料在压力为25MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为650℃的条件下保温2～6h。其它与具体实施方式十五或十六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十五至十七之一不同的是：步骤五中所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。其它与具体实施方式十五至十七之一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十五至十八之一不同的是：步骤五中所述铝合金为7075Al合金。其它与具体实施方式十五至十八之一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十五至十九之一不同的是：步骤六中退火处理后再次进行“固溶+时效”的热处理工艺。其它与具体实施方式十五至十九之一相同。
通过以下试验验证本发明的效果：
实施例一：一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：
一、将陶瓷柱体和陶瓷球体分别采用酒精超声清洗，吹干，以钢模具的中心为起点向外将若干个陶瓷柱体均匀布置在钢模具中紧密排列成密排的陶瓷柱体，陶瓷柱体高度保持一致；将陶瓷球体置于陶瓷柱体的间隙中，直至陶瓷球体叠加高度与陶瓷柱体高度一致，得到待填充模具；所述陶瓷柱体的尺寸为
Figure BDA0003058166030000051
陶瓷球体的直径为
Figure BDA0003058166030000052
二、向待填充模具中填充B4C陶瓷粉体，通过振动台振动，使得B4C陶瓷粉体填入待填充模具的间隙中，得到外层预制体；B4C陶瓷粉体的粒径为20μm；
三、将中间层预制体粉体铺陈于模具中，通过振动台振实，然后将内层预制体粉体铺陈于模具中，再通过振动台振实，得到待冷压坯料；所述中间层预制体粉体是粒径为1～500μm的B4C粉体，陶瓷相的体积分数为70％；内层预制体粉体是粒径为1～50μm的B4C粉体，陶瓷相的体积分数为55％；
四、将待冷压坯料在压力为25MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为650℃的条件下保温2～6h，得到材料预制体；
五、将含铝材料在温度为700～900℃条件下熔炼2～6h，得到含铝熔液；所述含铝材料为铝或铝合金；
六、采用压力浸渗将含铝熔液浇注并加压浸渗到材料预制体的间隙中，在压力为30～250MPa的条件下保压5～30min后直接脱模，然后放入炉中退火处理，随炉冷却，得到抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料。由实施例一得到的抗30mm穿甲弹的梯度铝基复合材料整体厚度60mm，整体面密度155kg/m2。抗30mm穿甲弹的测试结果表明，弹速1150～1175m/s的30mm穿甲弹100m距离，0°角入射的条件下无法贯穿梯度铝基复合材料(背板有20mm钢板支撑)。

Claims (6)

1.一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为三层梯度结构；外层为密排的陶瓷柱体、陶瓷球体和B4C陶瓷粉体共同增强的铝基复合材料，所述陶瓷球体填充在密排的陶瓷柱体的柱体间隙内，外层中陶瓷相的总体积分数大于90％；中间层为高体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为60～75％；内层为中体积分数的B4C/Al复合材料，其中陶瓷相的体积分数为25～55％；所述抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料为压力浸渗一体化制备，具备冶金结合界面；所述陶瓷球体的半径为陶瓷柱体半径的0.1～0.15；所述抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料中每层厚度为15～25mm，整体厚度为45～60mm；
抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：
一、将陶瓷柱体和陶瓷球体分别采用酒精超声清洗，吹干，以钢模具的中心为起点向外将若干个陶瓷柱体均匀布置在钢模具中紧密排列成密排的陶瓷柱体，陶瓷柱体高度保持一致；将陶瓷球体置于陶瓷柱体的间隙中，直至陶瓷球体叠加高度与陶瓷柱体高度一致，得到待填充模具；所述钢模具的内模为方形；
二、向待填充模具中填充B4C陶瓷粉体，通过振动台振动，使得B4C陶瓷粉体填入待填充模具的间隙中，得到外层预制体；
三、将中间层预制体粉体铺陈于模具中，通过振动台振实，然后将内层预制体粉体铺陈于模具中，再通过振动台振实，得到待冷压坯料；所述中间层预制体粉体是粒径为1～500μm的B4C粉体，内层预制体粉体是粒径为1～50μm的B4C粉体或B4C-Al粉的混合粉体；
四、将待冷压坯料在压力为5～100MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为500～700℃的条件下保温2～6h，得到材料预制体；
五、将含铝材料在温度为700～900℃条件下熔炼2～6h，得到含铝熔液；所述含铝材料为铝或铝合金；
六、采用压力浸渗将含铝熔液浇注并加压浸渗到材料预制体的间隙中，在压力为30～250MPa的条件下保压5～30min后直接脱模，然后放入炉中退火处理，随炉冷却，得到抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于所述陶瓷柱体为规则的圆柱体或端面带弧面的圆柱体；高度为15～20mm，长径比为0.5～1.5。
3.根据权利要求1所述的一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于所述高体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，粒径为1～500μm，其预制体粉体是通过级配不同粒径的B4C粉体得到。
4.根据权利要求1所述的一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于所述中体积分数的B4C/Al复合材料的增强体为B4C粉体，粒径为1～50μm，其预制体粉体为单一粒径的B4C粉体或B4C-Al粉的混合粉体。
5.根据权利要求1所述的一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于步骤五中所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种抗30mm穿甲弹梯度铝基复合材料，其特征在于步骤六中退火处理后再次进行“固溶+时效”的热处理工艺。
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