CN113696558A - 一种热压层状复合板材及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热压层状复合板材及其制备方法和用途，所述热压层状复合板材包括碳化硼板，以及经热压处理复合设置于碳化硼板两侧的金属板；所述金属板包括铝板，或铝板与钛板的组合；所述制备方法包括：碳化硼板和金属板组成组合件经500～650℃、压力5～25MPa条件下热压处理，得到所述热压层状复合板材。所述热压层状复合板材具有高强、高塑和具有一定韧性的优势，能够较好的应用在装甲防弹技术领域。

Description

一种热压层状复合板材及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及板材制备技术领域，特别涉及一种热压层状复合板材及其制备方法和用途。
背景技术
目前高性能、轻量化已成为陶瓷复合装甲的主要发展趋势。装甲防弹材料应具备高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成本等特点。传统金属防弹材料由于其密度大，使用过厚的钢板装甲，对于车辆、船舶和飞机来说就必需牺牲有效载荷，同时，过重的装甲材料又降低了其操控性和灵活性。因此，轻质装甲材料是目前研究和发展的重点和趋势。
陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性能优异、热膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，陶瓷材料具备吸能效应、磨损效应、动力学效应等。B4C陶瓷具有高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼，约30GPa)和低密度(2.52g·cm-3)的优良特性，但是单一B4C陶瓷韧性差，影响了其在军事领域的广泛应用。
CN109534827A公开了一种预置界面热压防弹陶瓷板及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)按比例称取所需要的原料，混料、制浆、造粒，制成造粒粉备用；2)将制得的造粒粉加入模具中，压制成陶瓷坯体；3)在陶瓷坯体的四周侧面上涂覆预置界面层，得到预置界面陶瓷坯体；4)将步骤3)中制备的预置界面陶瓷坯体在热压模具中拼接，使预置界面陶瓷坯体填满热压模具；5)按程序热压烧结，即得预置界面的热压防弹陶瓷板。所述预置界面层的物质为六方氮化硼浆料、二硼化锆浆料、二硼化钛浆料、二硼化铪浆料、二硼化钽浆料、碳化锆浆料、碳化钛浆料、碳化钨浆料、碳化硅浆料、碳化硼浆料或氧化铝浆料。
CN111777415A公开了一种碳化硼防弹材料，包括以下组分：B4C、Si3N4、CeO2、Al2O3和石墨烯，所述碳化硼防弹材料是采用含有B4C的纳米粉末、Si3N4的纳米粉末、CeO2的纳米粉末、Al2O3的纳米粉末和石墨烯的纳米粉末制成的纳米复合粉体烧制而成；其中，所述纳米复合粉体中，B4C的纳米粉末和Si3N4的纳米粉末的质量比为1.4～1.6：1，CeO2的纳米粉末占纳米复合粉体总质量的百分数为0.3～0.8％，Al2O3的纳米粉末占纳米复合粉体总质量的百分数为9.0～9.5％，石墨烯的纳米粉末占纳米复合粉体总质量的百分数为10.7～11.7％。
但上述两种方法需要采用粉料进行最终产品的制备，制备成本高，制备工艺复杂。
CN110230952A公开了一种整体式碳化硼防弹插板的结构及陶瓷预处理工艺，所述整体式碳化硼防弹插板结构包括面部包装层、超强减震层、防弹陶瓷超强约束体、防弹纤维层压板。在防弹陶瓷的表面，采用防弹纤维长丝进行全周约束缠绕，并形成防弹陶瓷超强约束体。防弹陶瓷超强约束体与防弹纤维层压板采用粘合剂进行粘合，保证两者复合界面的粘结强度。采用该结构及陶瓷预处理工艺所得的整体式碳化硼防弹插板防多发子弹攻击性能优异，受到第一枪弹击时，可在超强约束的保护下仍然保持一个整体。但整体式碳化硼防弹插板在制作过程中需要采用防弹纤维长丝进行全周约束缠绕，制备方法繁琐，且防弹陶瓷超强约束体与防弹纤维层压板采用粘合剂进行粘合会存在强度弱点，防弹性能将有所降低。
因此，需要开发一种制备工艺简单且防弹效果优良的防弹复合板材。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种热压层状复合板材及其制备方法和用途，所述热压层状复合板材解决了单一碳化硼板韧性低且烧结性能差的难题，所述制备方法通过热压方式制得的热压层状复合板材具有高强、高塑和优良韧性，在装甲防弹领域具有广泛的应用基础。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材包括碳化硼板，以及经热压处理复合设置于碳化硼板两侧的金属板；所述金属板包括铝板，或铝板与钛板的组合。
本发明通过将金属板与陶瓷板进行热压复合，从根本上克服了单一陶瓷材料作为防弹材料时低韧性的问题，利用铝板和/或钛板作为复合面，增加防弹材料的强韧性，提高抗击弹丸的能力，延迟陶瓷断裂时间，提高断裂耗能和抗弹阻力。
优选地，所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有第一铝板、碳化硼板和第二铝板。
优选地，所述第一铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第一钛板。
优选地，所述第一铝板、碳化硼板和第二铝板的横截面积相当。
优选地，所述第一钛板与碳化硼板的横截面积相当。
优选地，所述第二钛板与碳化硼板的横截面积相当。
优选地，在所述第一铝板远离碳化硼板的一侧设置第一钛板时，所述第一铝板的厚度为0.01～1mm，例如可以是0.01mm、0.12mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第二钛板。
优选地，在所述第二铝板远离碳化硼板的一侧设置第二钛板时，所述第二铝板的厚度为0.01～1mm，例如可以是0.01mm、0.12mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明在铝板远离碳化硼板的一侧设置钛板时，铝板的厚度限定为0.01～1mm，在进行热压时，原子进行扩散，既可以充分的将碳化硼板和铝板扩散焊接到一起，也可以将钛板和铝板通过热扩散焊接到一起。
优选地，在碳化硼板远离中间铝板的一侧设置有外侧铝板。
优选地，所述外侧铝板的厚度≥中间铝板的厚度。
本发明所述外侧铝板的厚度≥中间铝板的厚度，可以提高热压层状复合板材抗击弹丸的能力，延迟陶瓷断裂时间。
优选地，所述碳化硼板的厚度为8～22mm，例如可以是8mm、10mm、12mm、14mm、17mm、19mm、21mm或22mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铝板的厚度≤3mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm、1.9mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm或3mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述钛板的厚度≤3mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm、1.9mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm或3mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的热压层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：碳化硼板和金属板组成组合件，所述组合件经500～650℃、压力5～25MPa条件下热压处理，得到所述热压层状复合板材。
本发明通过采用铝板和/钛板等金属板在热压条件下与碳化硼板进行扩散焊接，使碳化硼与钛或铝的交界面在高温高压环境下致密化，提高了界面处的结合强度，而钛和铝的加入能够提高热压层状复合板材的韧性，最终得到由金属和陶瓷构成的高强、高塑和具有一定韧性的热压层状复合板材。
本发明中热压的温度为500～650℃，例如可以是500℃、560℃、600℃或650℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中热压的压力为5～25MPa，例如可以是5MPa、10MPa、12MPa、15MPa、18MPa、20MPa、23MPa或25MPa等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中温度和压力的选择十分关键，针对碳化硼板、铝板和钛板而言，仅在500～650℃以及5～25MPa条件下能够实现较好的扩散焊接和晶界融合，最终产品的防裂效果更佳。
优选地，所述碳化硼板在热压处理前，依次经磨抛处理、清洗和烘干。
优选地，所述金属板在热压处理前，依次经喷砂处理、清洗和烘干。
本发明中对金属板进行喷砂处理的作用是去除其表面的氧化层，便于后续进行热压处理。
本发明中对金属板的清洗所用的清洗剂包括乙醇或丙酮，所述金属板的清洗在震荡条件下进行，主要目的是去除金属板表面的油污。
优选地，所述热压处理的保温时间为0.5～10h，例如可以是0.5h、1.0h、2.0h、3.0h、4.0h、5.0h、6.0h、7.0h、9.0h或10h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热压处理后进行冷却。
优选地，所述冷却的时间≥10h，例如可以是10.0h、11.0h、12.0h、13.0h或14.0h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
依次经磨抛处理、清洗和烘干的碳化硼板和依次经喷砂处理、清洗和烘干的金属板组成组合件，所述组合件在500～650℃以及压力5～25MPa条件下热压处理并保温0.5～10h后，冷却≥10h，得到所述热压层状复合板材。
第三方面，本发明提供一种根据第一方面所述的热压层状复合板材在汽车工业、航空航天或防护领域中的用途。
本发明所述热压层状复合板材在遭受子弹冲击时不易产生裂纹，具有较好地韧性和强度，可广泛应用在汽车工业、航空航天或装甲防弹等防护领域中。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的热压层状复合板材通过将碳化硼板与钛板和/或铝板进行热压复合，相比以粉状材料的形式进行复合而言，不仅具有单一碳化硼板的优势，使复合板材的强度明显提高；而且板材相邻层在成分、厚度、晶粒尺寸、晶体结构以及晶体取向等方面均可调可控，具有很大的微结构优化空间；
(2)本发明提供的热压层状复合板材的制备方法通过严格控制热压的温度和压力，实现了铝板和/或钛板与碳化硼板的直接扩散焊接复合，制备工艺简单；
(3)本发明提供的热压层状复合板材可将各组原材料的优势协同发挥，兼具轻质、高强、高韧、热稳定、耐磨损和抗疲劳等性能，可作为结构材料应用于汽车工业、航空航天或防护等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的热压层状复合板材结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的热压层状复合板材结构示意图。
图3是本发明实施例3提供的热压层状复合板材结构示意图。
图4是本发明实施例3提供的热压层状复合板材实物图。
图5是本发明实施例4提供的热压层状复合板材结构示意图。
其中：11-碳化硼板；12-第一铝板；13-第二铝板；14-第一钛板；15-第二钛板；21-第一碳化硼板；22-第二碳化硼板；23-第三碳化硼板；31-第一中间铝板；32-第二中间铝板；33-第一外侧铝板；34-第二外侧铝板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
本实施例提供一种热压层状复合板材，该热压层状复合板材结构示意图如图1所示，所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有2mm厚的第一铝板12、15mm厚的碳化硼板11和2mm厚的第二铝板13。
本实施例还提供所述热压层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)碳化硼板11依次经磨抛、清洗和烘干，待用；第一铝板12和第二铝板13进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在丙酮溶液中进行震荡清洗，去除油污，烘干后待用；
(2)所述碳化硼板11、第一铝板12和第二铝板13按照上述结构组成组合合件在550℃以及压力15MPa条件下热压处理并保温3h后，冷却10h得到如图1所示的所述热压层状复合板材。
实施例2
本实施例提供一种热压层状复合板材，该热压层状复合板材结构示意图如图2所示，所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有3mm厚的第一外侧铝板33、22mm厚的第一碳化硼板21、1mm厚的第一中间铝板31、22mm厚的第二碳化硼板22和3mm厚的第二外侧铝板34。
本实施例还提供所述热压层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)第一碳化硼板21依次经磨抛、清洗和烘干，待用；第一中间铝板31、第一外侧铝板33和第二外侧铝板34进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在乙醇溶液中进行震荡清洗，去除油污，烘干后待用；
(2)所述第一碳化硼板21、第一中间铝板31、第二中间铝板32、第一外侧铝板33和第二外侧铝板34按照上述结构组成组合合件在500℃以及压力5MPa条件下热压处理并保温10h后，冷却10h得到如图2所示的所述热压层状复合板材。
实施例3
本实施例提供一种热压层状复合板材，该热压层状复合板材结构示意图如图3所示，该热压层状复合板材的实物图如图4所示。所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有8mm厚的第一碳化硼板21、8mm厚的第二碳化硼板22和8mm厚的第三碳化硼板23，第一碳化硼板21和第二碳化硼板22之间设置有0.5mm厚的第一中间铝板31，第二碳化硼板22和第三碳化硼板23之间设置有0.5mm厚的第二中间铝板32，在第一碳化硼板21远离第一中间铝板31的一侧设置有3mm厚的第一外侧铝板33，在第三碳化硼板23远离第二中间铝板32的一侧设置有3mm厚的第二外侧铝板34。
本实施例还提供所述热压层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)第一碳化硼板21、第二碳化硼板22和第三碳化硼板23依次经磨抛、清洗和烘干，待用；第一中间铝板31、第二中间铝板32、第一外侧铝板33和第二外侧铝板34进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在乙醇溶液中进行震荡清洗，去除油污，烘干后待用；
(2)所述第一碳化硼板21、第二碳化硼板22、第三碳化硼板23、第一中间铝板31、第二中间铝板32、第一外侧铝板33和第二外侧铝板34按照上述结构组成组合合件在650℃以及压力17MPa条件下热压处理并保温0.5h后，冷却12h得到如图3所示的所述热压层状复合板材。
实施例4
本实施例提供一种热压层状复合板材，该热压层状复合板材结构示意图如图5所示，所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有3mm厚的第一钛板14、0.3mm厚的第一铝板12(铝箔)、12mm厚的碳化硼板11、0.3mm厚的第二铝板13(铝箔)和3mm厚的第二钛板15。
本实施例还提供所述热压层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)碳化硼板11依次经磨抛、清洗和烘干，待用；第一钛板14、第一铝板12、第二铝板13和第二钛板15进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在乙醇溶液中进行震荡清洗，去除油污，烘干后待用；
(2)所述碳化硼板11、第一钛板14、第一铝板12、第二铝板13和第二钛板15按照上述结构组成组合合件在500℃以及压力25MPa条件下热压处理并保温6h后，冷却13h得到如图5所示的所述热压层状复合板材。
实施例5
本实施例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除将第一外侧钛板和第二外侧钛板均替换为不锈钢板外，其余均与实施例2相同。
实施例6
本实施例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除第一铝板和第二铝板的厚度均为2mm外，其余均与实施例4相同。
实施例7
本实施例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除第一钛板和第二钛板的厚度均为7mm外，其余均与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除制备方法中步骤(2)的“550℃以及压力15MPa条件下热压处理”替换为“300℃以及压力15MPa条件下热压处理”外，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除制备方法中步骤(2)的“550℃以及压力15MPa条件下热压处理”替换为“550℃以及压力3MPa条件下热压处理”外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种热压层状复合板材，所述热压层状复合板材除将第一铝板和第二铝板均替换为不锈钢板外，其余均与实施例1相同。
测试方法：将上述实施例和对比例制得的热压层状复合板材进行模拟击穿实验，采用50×135(L)mm×2.0kg的弹丸，在最大速度为200±20m/s的条件下进行测试，判断其是否产生裂纹，结果如表1所示。
表1
样品 实验结果
实施例1 无裂纹，无凸起
实施例2 无裂纹，无凸起
实施例3 无裂纹，无凸起
实施例4 无裂纹，无凸起
实施例5 无裂纹，小部分凸起
实施例6 小部分裂纹，无凸起
实施例7 无裂纹，小部分凸起
实施例8 小部分裂纹，小部分凸起
实施例9 小部分裂纹，小部分凸起
对比例1 产生裂纹，大部分凸起
从表1可以看出以下几点：
(1)综合实施例1～9可以看出，本发明提供的热压层状复合板材，解决了单一碳化硼板韧性较低的问题，在测试过程中产生的裂纹减少，且复合钛板的产品仅产生小部分凸起，塑性、韧性和强度均得到提升；
(2)综合实施例2与实施例5可以看出，本发明通过在铝板外增设钛板，能够提高产品的强度，从而在测试过程中能够减少凸起；
(3)综合实施例4与实施例6～7可以看出，铝板和钛板的厚度对于最终产品的性能有较大影响，本发明通过将铝板和钛板的厚度控制特定范围内，显著减少了最终热压层状复合板材的凸起和裂纹情况；
(4)综合实施例1与实施例8～9可以看出，实施例1中通过采用550℃以及压力15MPa条件下热压处理，相较于实施例8中温度为300℃，实施例9中压力为3MPa而言，实施例1中无裂纹，无凸起，而实施例8～9的测试结果均显示有小部分裂纹和小部分凸起，由此表明，本发明通过进一步优选特定的温度和压力，进一步减少了最终热压层状复合板材的凸起和裂纹情况；
(5)综合实施例1和对比例1可以看出，实施例1中设置铝板，相较于对比例1替换为不锈钢板而言，实施例1改善了裂纹产生情况，而对比例1中产生裂纹，由此表明，本发明通过选择铝板与碳化硼板复合，显著降低了产品产生裂纹的情况。
综上所述，本发明提供的热压层状复合板材通过将碳化硼板与钛板和/或铝板复合，解决了单一碳化硼板韧性较低的问题，减少了裂纹和凸起的产生。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种热压层状复合板材，其特征在于，所述热压层状复合板材包括碳化硼板，以及经热压处理复合设置于碳化硼板两侧的金属板；所述金属板包括铝板，或铝板与钛板的组合。
2.根据权利要求1所述的热压层状复合板材，其特征在于，所述热压层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有第一铝板、碳化硼板和第二铝板；
优选地，所述第一铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第一钛板；
优选地，所述第二铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第二钛板；
优选地，所述第一铝板、碳化硼板和第二铝板的横截面积相当；
优选地，所述第一钛板与碳化硼板的横截面积相当；
优选地，所述第二钛板与碳化硼板的横截面积相当。
3.根据权利要求1或2所述的热压层状复合板材，其特征在于，所述热压层状复合板材包括至少两层碳化硼板，每一层碳化硼板之间设置有中间铝板；
优选地，在碳化硼板远离中间铝板的一侧设置有外侧铝板。
4.根据权利要求1～3任一项所述的热压层状复合板材，其特征在于，所述碳化硼板的厚度为8～22mm；
优选地，所述铝板的厚度≤3mm；
优选地，所述钛板的厚度≤3mm。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的热压层状复合板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
碳化硼板和金属板组成组合件，所述组合件经500～650℃、压力5～25MPa条件下热压处理，得到所述热压层状复合板材。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硼板在热压处理前，依次经磨抛处理、清洗和烘干。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述金属板在热压处理前，依次经喷砂处理、清洗和烘干。
8.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热压处理的保温时间为0.5～10h；
优选地，所述热压处理后进行冷却；
优选地，所述冷却的时间≥10h。
9.根据权利要求5～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
依次经磨抛处理、清洗和烘干的碳化硼板和依次经喷砂处理、清洗和烘干的金属板组成组合件，所述组合件在500～650℃以及压力5～25MPa条件下热压处理并保温0.5～10h后，冷却≥10h，得到所述热压层状复合板材。
10.一种根据权利要求1～4任一项所述的热压层状复合板材在汽车工业、航空航天或防护领域中的用途。
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