CN114941964A - 一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，属于装甲防护领域。本发明包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构。熔融金属冷却过程中可对陶瓷施加三维压缩应力，实现预加压应力约束下的陶瓷复合装甲制备。防护装甲从内到外形成致密陶瓷‑陶瓷金属梯度过渡反应层‑金属的连接结构，并发生化学反应生成新相，实现界面冶金结合，提高陶瓷相和金属相连接的强度和可靠性。连续梯度复合结构的金属陶瓷过渡层，克服陶瓷与金属界面声阻抗失配的结构缺陷。梯度层的比例及厚度可调，不受样品加工尺寸限制。本发明能够提高防护装甲的抗侵彻能力及抗多发弹能力。

Description

一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，属于装甲防护领域。
背景技术
现代复合装甲对轻质高强材料和结构的设计提出更高的要求，以满足现代国防需要。与传统的装甲材料相比，陶瓷材料具有硬度高、强度大等优良特性，能够显著提高装甲的抗侵彻能力。同时，陶瓷材料的密度约为均质装甲钢的1/4～1/2，可大幅度减轻装甲防护系统的质量。但陶瓷本身的脆性使其在受到弹体冲击时会发生裂纹的快速扩展，导致整块陶瓷装甲的破碎和崩飞，使得陶瓷装甲很难具备抗多次打击能力。对陶瓷施加约束可以延缓裂纹的扩展，弹丸没有足够的前进空间时，进一步冲击需要耗散更大的能量来继续粉碎前部的陶瓷，弹丸与陶瓷碎块之间的强相互作用可以有效的磨蚀弹丸，阻止高速弹丸对靶板的迅速侵彻。
预应力的存在可以进一步增强陶瓷靶板的抗冲击能力，并对提高陶瓷抗多发打击能力具有促进作用。传统预应力方法中，可通过在陶瓷板周围包覆金属框，并通过螺丝张紧施加预应力，但在实际战场环境中不宜装配。也有将预制的金属框架加热膨胀至一定程度后，将陶瓷置入框中通过热胀冷缩获得预应力，但固态金属热胀冷缩的产生的热应力大小有限，需要厚重的金属才能施加足够应力，且对陶瓷的加工精度要求极高。此外，根据声阻抗理论，应力波在陶瓷中的传播速度高于弹丸，所以在冲击波作用下，抗拉强度较低的陶瓷会发生过早失效，在背面产生高密度的动态裂纹，相应地在约束金属与陶瓷界面处也会阻抗失配产生反射拉伸波进一步影响装甲的抗弹能力。同时，如果约束金属与陶瓷不能实现紧密贴合，还会因空气的存在产生间隙效应，显著增大阻抗失配程度。所以，界面设计对实现轻量化、高抗弹能力预应力陶瓷复合装甲至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，在保持陶瓷装甲防护能力的同时，对陶瓷和约束金属层进行梯度连接，并在预应力的作用下进一步提高防护装甲的抗侵彻能力及抗多发弹能力。
为达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构。熔融金属冷却过程中对陶瓷施加压缩应力，实现预应力约束下的陶瓷复合装甲制备，显著提升陶瓷装甲抗弹能力。
采用金属浇铸的方法为致密陶瓷施加三维预加压应力，充分保留陶瓷装甲防护的优势，且三维预应力的存在可延缓陶瓷着弹时的裂纹扩展，显著提高复合防护装甲的抗弹能力。
所述预应力陶瓷复合装甲外层有从内向外孔依次增大的梯度层结构，在金属浇铸后的保温过程中，熔融金属扩散充分填充空隙，防护装甲从内到外形成致密陶瓷-陶瓷金属梯度过渡反应层-金属的连接结构，并发生化学反应生成新相，实现界面冶金结合，提高陶瓷相和金属相连接的强度和可靠性。
连续梯度复合结构的金属陶瓷过渡层，克服陶瓷与金属界面声阻抗失配的结构缺陷，有效传递载荷和应变，降低横向剪切波对界面开裂的损伤作用，同时过渡层存在丰富的不规则微观界面，也能够使应力波发散，提高复合防护装甲的防弹能力。
梯度层的比例及厚度可调，不受样品加工尺寸限制。梯度分布的多孔结构在陶瓷烧制环节一次完成，不需二次烧结或钎焊施加连接层。
本发明还公开一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将小粒径陶瓷粉体与烧结助剂均匀混合后，进行模压压制。在小粒径陶瓷坯体上均匀包覆多层造孔剂浓度从内向外依次增高的大粒径陶瓷粉体或浆体，并在150～300MPa下保压以进行冷等静压处理，得到坯体。
步骤二、将坯体高温烧结后得到陶瓷；所述陶瓷是内层致密，相对密度大于98％，外层带有从内向外孔依次增大的梯度层结构陶瓷。
步骤三、将金属在高于熔点100～300℃的温度下保温1～4h充分熔融，将陶瓷置于模具中，在金属熔点一半左右的温度下预热后进行浇铸实现三维包覆，快速冷却后得到复合装甲；
步骤一所述小粒径范围为1～30μm；所述大粒径范围为30～120μm；
所述陶瓷粉体包括但不限于SiC、B4C、TiN、Al2O3及Si3N4等装甲用陶瓷粉体。
所述烧结助剂包括但不限于高岭土、C和Al、Mg、Al2O3、MgO、Cr2O3等金属(氧化物)及Nb、Y2O3、CeO2、Gd2O3等稀土(氧化物)，使用时烧结助剂的总体积分数小于10.0vol.％。
所述造孔剂包括但不限于为石墨、淀粉、竹炭及硅溶胶等，体积分数为10～70vol.％。
步骤二中所述浇铸模具材质为高铝耐火砖或者与浇铸金属热膨胀系数有明显差异的金属等易脱模材料，腔体形状可为圆形、六边形、矩形等。
所述烧结的工艺为升温速率5～30℃/min，烧结温度1200～2100℃，保温时间1～4h，随炉冷却。
所述金属相包括但不限于Al、Ti、Mg及其合金和各类钢等。
有益效果：
1.本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，采用金属浇铸的方法为致密陶瓷施加三维预加压应力，充分保留了陶瓷装甲防护的优势，且三维预应力的存在可延缓陶瓷着弹时的裂纹扩展，显著提高复合防护装甲的抗弹能力。
2.本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，致密陶瓷外层有从内向外孔依次增大的梯度层结构，在金属浇铸后的保温过程中，熔融金属扩散充分填充空隙，防护装甲从内到外形成了致密陶瓷-陶瓷金属梯度过渡反应层-金属的连接结构，并发生化学反应生成新相，实现界面冶金结合，提高了陶瓷相和金属相连接的强度和可靠性。
3.本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，连续梯度复合结构的金属陶瓷过渡层，能够克服陶瓷与金属界面声阻抗失配的结构缺陷，可以有效传递载荷和应变，降低横向剪切波对界面开裂的损伤作用，同时过渡层存在丰富的不规则微观界面，一定程度上也可使应力波发散，提高复合防护装甲的防弹能力。
4.本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，摆脱固态金属加热时热应力不足的限制，消除陶瓷烧结精度不足的影响，梯度层的比例及厚度可调，不受样品加工尺寸限制。梯度分布的多孔结构可在陶瓷烧制环节一次完成，不需二次烧结或钎焊施加连接层。
5.本发明公开的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法，所述方法适用于多种陶瓷与金属复合装甲的制备，制备方法简单，工艺成熟，适合批量生产，易于实际战场装配，并可形成多胞元周期蜂窝结构装甲及多层装甲，不受尺寸限制。
附图说明
图1梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲界面示意图。
图2实施例1中所述样品实现对弹丸侵彻的完全防护的试验结果。
图3实施例1中侵彻后的残余弹体。
图4对比例中无预应力陶瓷复合装甲受弹丸侵彻后完全失效的试验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明：
实施例1
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构。熔融金属冷却过程中可对陶瓷施加压缩应力，实现预应力约束下的陶瓷复合装甲制备，最终实现陶瓷装甲抗弹能力的显著提升。
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的制备方法，主要包括以下步骤：
(1)将平均粒径为10μm的SiC陶瓷粉体、Y2O3、Al2O3按照96:2:2的体积分数精确称量，按照粉：球磨球：酒精为1:1:2的重量比在卧式球磨机中按照40rpm的速度混合搅拌8h，料浆在60℃下静置12小时后干燥收集备用。
(2)将干燥后的混合粉体按需倒入边长为100mm的方形模具中，通过电动压力机进行施压，并保压2min。
(3)分别配置淀粉造孔剂浓度为15.0vol.％、30.0vol.％、45.0vol.％、60.0vol.％，Al2O3、Si助烧剂分别为1.0vol.％和5.0vol.％，SiC粒径为60μm的陶瓷浆体，将干压后的小粒径陶瓷坯体在大粒径SiC陶瓷浆体中按照浓度从小到大的顺序依次浸蘸，干燥后备用。
(4)对外层附有不同孔梯度的预压坯体进行的等静压处理，在250MPa下保压120s，进一步提高坯体的强度和致密化程度。
(5)在升温速率5～20℃/min，烧结温度1800～1950℃，保温时间1.5～2.5h的无压烧结工艺下埋粉烧结，获得内层致密，外层带有从内向外孔依次增大的梯度层结构，厚度为20mm的SiC陶瓷。
(6)将烧制完成的SiC陶瓷在350℃下预热，金属Al在850℃下熔融并保温1.5h，然后注入置有SiC陶瓷的模具中实现三维包覆，金属Al厚度为8mm，并在预热温度下保温1h，随炉冷却至600℃后，室温冷却脱模取出。
金属Al可与SiC陶瓷形成良好的界面状态，Al在高温下与陶瓷外层的梯度孔充分填隙，呈现出明显的梯度分布特征。高温生成的界面产物主要有Al4C3、Al4SiC4、SiO2及Al1.7Si0.15O2.85等，少量界面产物的存在提高了金属Al与SiC陶瓷之间的物化相容性，通过化学结合的方式增大了陶瓷复合装甲的界面结合强度，提高了界面约束的稳定性，促进了金属浇铸陶瓷复合装甲抗弹能力的提高。该梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，可实现对直径8mm，长度20mm，速度800m/s钨合金长杆弹丸的完全防护，侵彻后迎弹面虽有弹孔，但陶瓷未被完全贯穿(如图2所示)，弹体有明显残余(如图3所示)，体现了梯度连接的预应力陶瓷复合装甲的优越性。
实施例2
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构。熔融金属冷却过程中可对陶瓷施加压缩应力，实现预应力约束下的陶瓷复合装甲制备，最终实现陶瓷装甲抗弹能力的显著提升。
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的制备方法，主要包括以下步骤：
(1)将平均粒径为5μm B4C陶瓷粉体、Al按照97:3的体积分数精确称量，按照粉：球磨球：酒精为1:1:2的重量比在行星式球磨机中按照200rpm的速度混合湿混搅拌2h，料浆在60℃下静置12小时后干燥收集备用。
(2)将混合后的粉末按需倒入直径为200mm的圆形模具中，通过电动压力机进行施压，并保压4min。
(3)分别配置碳粉造孔剂含量为15.0vol.％、25.0vol.％、35.0vol.％、45.0vol.％、55.0vol.％，Al助烧剂为1.0vol.％的大粒径B4C陶瓷浆体，将干压后的小粒径陶瓷坯体在大粒径B4C陶瓷浆体中按照造孔剂含量从小到大的顺序依次浸蘸，干燥后备用。
(4)对外层附有不同孔梯度的预压坯体进行的等静压处理，在280MPa下保压180s，进一步提高坯体的强度和致密化程度。
(5)在升温速率10～20℃/min，烧结温度1950～2200℃，保温时间2～3h的无压烧结工艺下埋粉烧结，获得内层致密，外层带有从内向外孔依次增大的梯度层结构，厚度为25mm的B4C陶瓷。
(6)将烧制完成的B4C陶瓷在300℃下Ar气氛保护预热，金属Al在850℃下Ar气氛保护熔融并保温3h，然后注入置有B4C陶瓷的模具中实现三维包覆，金属Al厚度为10mm，并在熔融温度下保温1h，随炉冷却至600℃后，室温冷却脱模取出。
金属Al可与B4C陶瓷形成良好的界面状态，Al在高温下与陶瓷外层的梯度孔充分填隙，呈现出明显的梯度分布特征。高温生成的界面产物主要有AlB12、AlB2、Al3BC等，少量界面产物的存在提高了金属Al与B4C陶瓷之间的物化相容性，通过化学结合的方式增大了陶瓷复合装甲的界面结合强度，提高了界面约束的稳定性，促进了金属浇铸陶瓷复合装甲抗弹能力的提高。该梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，可实现对直径8mm，长度20mm，速度800m/s钨合金长杆弹丸的完全防护，侵彻后迎弹面虽有弹孔，但陶瓷未被完全贯穿，弹体有明显残余，体现了梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的优越性。
实施例3
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构。熔融金属冷却过程中可对陶瓷施加压缩应力，实现预应力约束下的陶瓷复合装甲制备，最终实现陶瓷装甲抗弹能力的显著提升。
一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的制备方法，主要包括以下步骤：
(1)将平均粒径为10μm的Al2O3陶瓷粉体、MgO按照97:3的体积分数精确称量，按照粉：球磨球为1:1的重量比在行星式球磨机中按照200rpm的速度干混搅拌3h，收集备用。
(2)将混合后的粉末按需倒入边长为150mm的矩形模具中，通过电动压力机进行施压，并保压4min。
(3)分别配置淀粉造孔剂含量为10.0vol.％、20.0vol.％、30.0vol.％、40.0vol.％，MgO助烧剂为1.0vol.％，Al2O3粒径为40μm陶瓷浆体，将干压后的小粒径陶瓷坯体在大粒径Al2O3陶瓷浆体中按照造孔剂含量从小到大的顺序依次浸蘸，干燥后备用。
(4)对外层附有不同孔梯度的预压坯体进行的等静压处理，在300MPa下保压180s，进一步提高坯体的强度和致密化程度。
(5)在升温速率10～20℃/min，烧结温度1550～1700℃，保温时间2～3h的无压烧结工艺下埋粉烧结，获得内层致密，外层带有从内向外孔依次增大的梯度层结构，厚度为25mm的Al2O3陶瓷。
(6)将烧制完成的Al2O3陶瓷在800℃下Ar气氛保护预热，金属Ti在1900℃下Ar气氛保护熔融并保温3h，然后注入置有Al2O3陶瓷的模具中实现三维包覆，金属Ti厚度为10mm，并在预热温度下保温0.5h，随炉冷却至800℃后，室温冷却脱模取出。
金属Ti可与Al2O3陶瓷形成良好的界面状态，Ti在高温下与陶瓷外层的梯度孔充分填隙，表现出明显的梯度分布特征。高温生成的界面产物主要有TiAl、Ti3Al等，少量界面产物的存在提高了金属Ti与Al2O3陶瓷之间的物化相容性，通过化学结合的方式增大了陶瓷复合装甲的界面结合强度，提高了界面约束的稳定性，促进了金属浇铸陶瓷复合装甲抗弹能力的提高。该梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，可实现对直径8mm，长度20mm，速度800m/s钨合金长杆弹丸的完全防护，侵彻后迎弹面虽有弹孔，但陶瓷未被完全贯穿，弹体有明显残余，体现了梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的优越性。
对比例1
采用机加工的方式制备金属约束框，实现对陶瓷块体的约束，主要包括以下步骤：
(1)使用与实施例1中步骤(1)～(2)相同的方法制备陶瓷坯体。
(2)使用与实施例1中步骤(4)相同的工艺对陶瓷坯体进行等静压处理，在250MPa下保压120s，进一步提高坯体的强度和致密化程度。
(3)使用与实施例1中步骤(5)相同的工艺对陶瓷坯体进行烧结，得到致密的SiC陶瓷。
(4)将陶瓷置于Al制的金属模具中进行无预应力封装，得到无预应力的金属约束陶瓷复合装甲。
该无预应力的金属约束陶瓷复合装甲，在受到速度800m/s弹丸的撞击时，被完全贯穿，如图4所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡依本发明申请专利范围所作的均等变化、修饰和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：包括陶瓷层、过渡层和金属层；过渡层将陶瓷层包裹其中；金属层将过渡层包裹其中；所述过渡层为陶瓷、金属梯度复合结构；熔融金属冷却过程中对陶瓷施加压缩应力，实现预应力约束下的陶瓷复合装甲制备，显著提升陶瓷装甲抗弹能力。
2.如权利要求1所述的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：采用金属浇铸的方法为致密陶瓷施加三维预应力应力，充分保留陶瓷装甲防护的优势，且三维预应力的存在可延缓陶瓷着弹时的裂纹扩展，显著提高复合防护装甲的抗弹能力。
3.如权利要求2所述的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：所述预应力陶瓷复合装甲外层有从内向外孔依次增大的梯度层结构，在金属浇铸后的保温过程中，熔融金属扩散充分填充空隙，防护装甲从内到外形成致密陶瓷-陶瓷金属梯度过渡反应层-金属的连接结构，并发生化学反应生成新相，实现界面冶金结合，提高陶瓷相和金属相连接的强度和可靠性。
4.如权利要求3所述的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：连续梯度复合结构的金属陶瓷过渡层，克服陶瓷与金属界面声阻抗失配的结构缺陷，有效传递载荷和应变，降低横向剪切波对界面开裂的损伤作用，同时过渡层存在丰富的不规则微观界面，也能够使应力波发散，提高复合防护装甲的防弹能力。
5.如权利要求4所述的一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：梯度层的比例及厚度可调，不受样品加工尺寸限制；梯度分布的多孔结构在陶瓷烧制环节一次完成，不需二次烧结或钎焊施加连接层。
6.一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲的制备方法，用于制备如权利要求1、2、3、4或5所述的一种梯度连接的预应力陶瓷复合装甲，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、将小粒径陶瓷粉体与烧结助剂均匀混合后，进行模压压制；在小粒径陶瓷坯体上均匀包覆多层造孔剂浓度从内向外依次增高的大粒径陶瓷粉体或浆体，并在150～300MPa下保压以进行冷等静压处理，得到坯体；
步骤二、将坯体高温烧结后得到陶瓷；所述陶瓷是内层致密，相对密度大于98％，外层带有从内向外孔依次增大的梯度层结构陶瓷；
步骤三、将金属在高于熔点100～300℃的温度下保温1～4h充分熔融，将陶瓷置于模具中，在金属熔点一半左右的温度下预热后进行浇铸实现三维包覆，快速冷却后得到复合装甲。
7.如权利要求6所述的一种梯度连接的预应力陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于：步骤一所述小粒径范围为1～30μm；所述大粒径范围为30～120μm。
8.如权利要求7所述的一种梯度连接的预应力陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于：
所述陶瓷粉体为SiC、B4C、TiN、Al2O3、Si3N4或其任意组合。
所述烧结助剂为高岭土、C和Al、Mg、Al2O3、MgO、Cr2O3或其任意组合；还包括Nb、Y2O3、CeO2、Gd2O3或其任意组合；使用时烧结助剂的总体积分数小于10.0vol.％；
所述造孔剂为石墨、淀粉、竹炭及硅溶胶或其任意组合，体积分数为10～70vol.％。
所述金属相为Al、Ti、Mg及其合金，或各类钢。
9.如权利要求8所述的一种梯度连接的预应力陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于：步骤二中所述浇铸模具材质为高铝耐火砖或者与浇铸金属热膨胀系数有明显差异的易脱模材料，腔体形状为圆形、六边形或矩形。
10.如权利要求9所述的一种梯度连接的预应力陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于：所述烧结的工艺为升温速率5～30℃/min，烧结温度1200～2100℃，保温时间1～4h，随炉冷却。
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