CN115265281A - 一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法 - Google Patents

一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种抗高速侵彻复合防护板，属于轻质材料防护技术领域，包括背侵彻面板，所述背侵彻面板上依次设置有吸能层和迎侵彻面板，所述迎侵彻面板与吸能层通过真空渗流法一体化制备得到，所述背侵彻面板通过铆接或胶粘剂与吸能层进行连接。一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：步骤1，制作迎侵彻面板和吸能层的一体板；步骤2，使用切割机对迎侵彻面板和吸能层的上下不平整的表面进行平整处理；步骤3，将背侵彻面板通过粘接剂或铆接的方式与吸能层进行连接，得到抗高速侵彻复合防护板。铝基陶瓷复合材料替代了传统陶瓷材料作为迎侵彻面，在具有高硬度的同时减少了二次破片飞溅损伤，提高了多次抗侵彻能力。

Description

一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法
技术领域
本发明属于轻质材料防护技术领域，具体涉及一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法。
背景技术
外界的高速弹体或者碎片的侵入，会破坏装备的完整性，危害人员的安全。随着弹片及破片侵彻速度的不断提升(部分场合超过1.5km/s)以及轻量化指标的愈发严格，对防护装甲的研发要求也越来越高。新型防护装置需要满足“高强度、高硬度、高韧性、低密度”的要求，常规的金属材料和非金属材料包括钢铁、陶瓷、纤维复合材料等都无法同时满足全面的要求。现有的复合防护板使用的陶瓷材料由于其高硬度较难与其他材料组装，多使用单片拼接粘接的方式，在承受侵彻后，容易造成二次破片飞溅损伤，且通常只能承受单次侵彻。
铝基多孔复合材料具有密度低、比强度高、比刚度高、能量吸收能力好、阻尼性能好等特点，并且具有极强的材料设计性，可以与陶瓷材料结合，形成铝基陶瓷复合材料。除此之外，由于陶瓷材料周围存在金属包裹，可以有效防止破片飞溅，提高抗多次侵彻的能力。金属材料、陶瓷材料、纤维材料的结合，可以满足防护工程的防护需要，得到密度更低，强度更高，冲击韧性更好，保护效果更好的新型防护装置。
常见的制备铝基多孔复合材料的方法有粉末冶金法和压力渗流法，粉末冶金法通常无法制备尺寸较大的样品，无法工业化生产，而压力渗流法的工艺参数会随着材料的种类和尺寸变化而变化。为此，本发明提供了一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高速侵彻复合防护板及其制作方法，通过真空渗流法得到多层铝基多孔复合材料即上层的铝基陶瓷复合材料和下层的氧化铝空心球增强铝基多孔材料，结合纤维板分别组成迎侵彻面板、吸能层以及背侵彻面板，进而得到抗高速侵彻复合防护板。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗高速侵彻复合防护板，包括迎侵彻面板、吸能层以及背侵彻面板，所述背侵彻面板上依次设置有吸能层和迎侵彻面板，所述迎侵彻面板与吸能层通过真空渗流法一体化制备得到，所述背侵彻面板通过铆接或胶粘剂与吸能层进行连接。
所述迎侵彻面板由铝基陶瓷复合材料制成，根据不同的防护要求厚度为5-20mm。
所述吸能层由氧化铝空心球增强铝基多孔材料制成，根据不同的防护要求厚度为10-50mm。
所述背侵彻面板由纤维板制成，纤维板的种类为凯夫拉纤维、聚乙烯或聚苯撑苯并噁唑，根据不同的防护要求厚度为5-15mm。
一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板和吸能层的一体板
步骤1.1，选取填充材料
取氧化铝空心球颗粒作为吸能层材料的填充颗粒；取陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒作为迎侵彻面板材料的填充颗粒；
将氧化铝空心球颗粒按不同目数筛分，得到不同尺寸的分级氧化铝空心球；将不同的陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒按不同尺寸和不同种类进行筛分，所述陶瓷材料包括氧化铝、碳化硅或者碳化硼；
步骤1.2，填充
在模具内底板上铺设下垫层；而后填充氧化铝空心球颗粒，待平整压实后在氧化铝空心球颗粒上方继续填充陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒，填充完后在最上方铺设上挡层；对模具进行预热；
步骤1.3，铝基体熔化
将铝基体加热至完全熔化后，继续保温，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；将铝液浇铸到模具后；开启真空泵，使铝液渗透流经颗粒间隙，其中真空度0.04-0.1MPa，渗流时间3s-60s，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
室温冷却并脱模，得到上层是铝基陶瓷复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板和吸能层的一体板；
步骤2，使用切割机对迎侵彻面板和吸能层的上下不平整的表面进行平整处理；
步骤3，将背侵彻面板通过粘接剂或铆接的方式与吸能层进行连接，得到抗高速侵彻复合防护板。
步骤1.1中所述的不同尺寸的分级氧化铝空心球，小粒径为0.2-0.6mm、中粒径为0.6-1.0mm及大粒径为1.0-2.0mm；当颗粒为陶瓷空心管时，小尺寸即外径×内径×长度为1×0.5×3mm，中尺寸即外径×内径×长度为2×1×7.5mm，大尺寸即外径×内径×长度为3×1.5×10mm；当颗粒为陶瓷棒时，小尺寸即外径×长度为1×3mm，中尺寸即外径×长度为2×7.5mm，大尺寸即外径×长度为3×10mm；当颗粒为陶瓷颗粒时，小粒径为0.425mm，大粒径为0.7mm。
步骤1.2中所述的下垫层为依次铺设在模具内底板上的下层细铁丝网、开孔铁板和上层细铁丝网；所述的上挡层为粗铁丝网。
步骤1.2中，当填充陶瓷空心管或陶瓷棒时，需要将其水平填充；填充氧化铝空心球颗粒以及陶瓷材料的总填充高度为20-80mm；其中陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒等陶瓷材料的填充高度为8-25mm；对模具整体进行预热处理的预热温度为550-700℃，预热时间为2-4h。
步骤1.3中，铝基体为2xxx、5xxx、6xxx铝合金或ZL1系和2系铝合金，铝基体加热温度650-750℃，保温时间为30-90min。
步骤1.5中，室温冷却90-120min，得到铝基陶瓷复合材料和氧化铝空心球增强铝基多孔材料组成复合材料的一体板，复合材料的密度为2.0-2.5g/cm3；其中氧化铝空心球增强铝基多孔材料的密度为1.5-2.0g/cm3，铝基陶瓷复合材料的密度为2.0-2.6g/cm3。
本发明的有益效果：
1、本发明得到的抗高速侵彻复合防护装置密度低，重量轻，符合防护装置轻量化的要求。
2、铝基陶瓷复合材料替代了传统陶瓷材料作为迎侵彻面，在具有高硬度的同时，减少了二次破片飞溅损伤，提高了多次抗侵彻能力。并且，由于迎侵彻面与吸能层是通过真空渗流法一体化制备得到，解决了陶瓷材料难以通过加工连接到其他材料上的难题。
3、抗高速侵彻复合防护板结合了陶瓷材料的高刚度和高硬度，铝基多孔材料优异的吸能性能和阻尼性能以及纤维材料超强的拉伸性能，使侵彻复合防护板具有优秀的抗侵彻能力和抗爆炸能力，受环境因素影响较小，可应用于舰船舱室，防爆装甲等多种防护场景。
4、本发明提供的真空渗流方法，工艺简单，可以设计出多层或者梯度分布的金属基复合材料，也可以得到异形件，并且可以得到大尺寸的样品，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1本发明抗高速侵彻复合防护板示意图；
1-迎侵彻面板，2-吸能层，3-背侵彻面板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种抗高速侵彻复合防护板，包括迎侵彻面板1、吸能层2以及背侵彻面板3，所述背侵彻面板上依次设置有吸能层2和迎侵彻面板1，所述迎侵彻面板1与吸能层2通过真空渗流法一体化制备得到，所述背侵彻面板3通过铆接或胶粘剂与吸能层2进行连接。
实施例1
一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板1和吸能层2的一体板
步骤1.1，使用标准筛将氧化铝空心球颗粒筛分，选取粒径为0.2-0.6mm的氧化铝空心球，选取外径×内径×长度尺寸为1×0.5×3mm的氧化铝空心管；
步骤1.2，填充
在模具内底板处由下至上依次铺设一层下层细铁丝网、开孔铁板及上层细铁丝网；将氧化铝空心球均匀平整得填充于上层细铁丝网上，填充高度为20mm；而后继续在氧化铝空心球上方填充陶瓷铝空心管，确保其水平的分布在模具内，填充高度为8mm，填充完毕后在陶瓷空心管上方铺设一层粗铁丝网；将模具预热到600℃，保温2h；
步骤1.3，铝基体熔化
加热ZL201a合金到700℃直至完全融化，保温1h，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；而后将铝液浇铸到模具内直至完全覆盖粗铁丝网，达到密封效果；开启真空泵，观察仪表盘达到0.09MPa后，铝液渗透流经颗粒间隙，整个渗流过程持续10s，关闭真空阀，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
在室温下冷却2h后，脱模，得到上层是铝基氧化铝空心管复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板；
步骤2，使用数控砂线切割机对迎侵彻面板1和吸能层2的上下不平整的表面进行平整处理，得到上层是铝基氧化铝空心管复合材料，下层是氧化铝空心球增强铝基多孔材料的复合材料一体板；
步骤3，将5mm厚的UHMW-PE纤维板通过粘结剂与制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板的吸能层2进行粘结，得到抗高速侵彻复合防护板，其中铝基氧化铝空心管复合材料作为迎侵彻面板1，厚度为5mm；氧化铝空心球增强铝基多孔材料为吸能层2，厚度为15mm；纤维板为背侵彻面板3，厚度为5mm。
实施例1中获得的抗高速侵彻复合防护板密度为1.9g/cm3，强度可达100-150MPa，应用于盾牌和防弹背心的制作，可防护7.62mm口径子弹冲击。
实施例2
一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板1和吸能层2的一体板
步骤1.1，使用标准筛将氧化铝空心球颗粒筛分，选取粒径为0.6-1.0mm的氧化铝空心球，选取外径×内径×长度尺寸为2×1×7.5mm的氧化铝空心管；
步骤1.2，填充
在模具内底板处由下至上依次铺设一层下层细铁丝网、开孔铁板及上层细铁丝网；将氧化铝空心球均匀平整得填充于上层细铁丝网上，填充高度为25mm；而后继续在氧化铝空心球上方填充氧化铝空心管，确保其水平的分布在模具内，填充高度为15mm，填充完毕后在氧化铝空心管上方铺设一层粗铁丝网；将模具预热到650℃，保温2h；
步骤1.3，铝基体熔化
加热ZL201a合金到700℃直至完全融化，保温1h，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；而后将铝液浇铸到模具内直至完全覆盖粗铁丝网，达到密封效果；开启真空泵，观察仪表盘达到0.07MPa后，铝液渗透流经颗粒间隙，整个渗流过程持续8s，关闭真空阀，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
在室温下冷却2h后，脱模，得到上层是铝基氧化铝空心管复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板；
步骤2，使用数控砂线切割机对迎侵彻面板1和吸能层2的上下不平整的表面进行平整处理，得到上层是铝基氧化铝空心管复合材料，下层是氧化铝空心球增强铝基多孔材料的复合材料一体板；
步骤3，将5mm厚的UHMW-PE纤维板通过粘结剂与制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板的吸能层2进行粘结，得到抗高速侵彻复合防护板，其中铝基氧化铝空心管复合材料作为迎侵彻面板1，厚度为10mm；氧化铝空心球增强铝基多孔材料为吸能层2，厚度为20mm；纤维板为背侵彻面板3，厚度为5mm。
实施例2中获得的抗高速侵彻复合防护板密度为2.2g/cm3，强度可达150-200MPa，应用于坦克、装甲车和舰船的制作，可防护12.7mm或者14.5mm口径子弹冲击。
实施例3
一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板1和吸能层2的一体板
步骤1.1，使用标准筛将氧化铝空心球颗粒筛分，选取粒径为1-2mm的氧化铝空心球，选取外径×长度尺寸为3×10mm的碳化硼棒；
步骤1.2，填充
在模具内底板处由下至上依次铺设一层下层细铁丝网、开孔铁板及上层细铁丝网；将氧化铝空心球均匀平整得填充于上层细铁丝网上，填充高度为30mm；而后继续在氧化铝空心球上方填充碳化硼棒，确保其水平的分布在模具内，填充高度为15mm，填充完毕后在碳化硼棒上方铺设一层粗铁丝网；将模具预热到700℃，保温2h；
步骤1.3，铝基体熔化
加热ZL201合金到720℃直至完全融化，保温1h，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；而后将铝液浇铸到模具内直至完全覆盖粗铁丝网，达到密封效果；开启真空泵，观察仪表盘达到0.05MPa后，铝液渗透流经颗粒间隙，整个渗流过程持续5s，关闭真空阀，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
在室温下冷却2h后，脱模，得到上层是铝基碳化硼棒复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板；
步骤2，使用数控砂线切割机对迎侵彻面板1和吸能层2的上下不平整的表面进行平整处理，得到上层是铝基碳化硼棒的复合材料，下层是氧化铝空心球增强铝基多孔材料的复合材料一体板；
步骤3，将10mm厚的PBO纤维板通过粘结剂与制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板的吸能层2进行粘结，得到抗高速侵彻复合防护板，其中铝基碳化硼棒复合材料作为迎侵彻面板1，厚度为10mm；氧化铝空心球增强铝基多孔材料为吸能层2，厚度为25mm；纤维板为背侵彻面板3，厚度为10mm。
实施例3中获得的抗高速侵彻复合防护板密度为1.67g/cm3，强度可达80-100MPa。
实施例4
一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板1和吸能层2的一体板
步骤1.1，使用标准筛将氧化铝空心球颗粒筛分，选取粒径为0.2-2mm的氧化铝空心球，选取外径×长度尺寸为2×7.5mm的氧化铝棒；
步骤1.2，填充
在模具内底板处由下至上依次铺设一层下层细铁丝网、开孔铁板及上层细铁丝网；将氧化铝空心球均匀平整得填充于上层细铁丝网上，填充高度为25mm；而后继续在氧化铝空心球上方填充氧化铝棒，确保其水平的分布在模具内，填充高度为8mm，填充完毕后在氧化铝棒上方铺设一层粗铁丝网；将模具预热到700℃，保温2h；
步骤1.3，铝基体熔化
加热ZL201合金到720℃直至完全融化，保温1h，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；而后将铝液浇铸到模具内直至完全覆盖粗铁丝网，达到密封效果；开启真空泵，观察仪表盘达到0.08MPa后，铝液渗透流经颗粒间隙，整个渗流过程持续10s，关闭真空阀，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
在室温下冷却2h后，脱模，得到上层是铝基氧化铝棒复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板；
步骤2，使用数控砂线切割机对迎侵彻面板1和吸能层2的上下不平整的表面进行平整处理，得到上层是铝基氧化铝棒复合材料，下层是氧化铝空心球增强铝基多孔材料的复合材料一体板；
步骤3，将5mm厚的UHMW-PE纤维板通过粘结剂与制成的迎侵彻面板1和吸能层2的一体板的吸能层2进行粘结，得到抗高速侵彻复合防护板，其中铝基氧化铝棒复合材料作为迎侵彻面板1，厚度为5mm；氧化铝空心球增强铝基多孔材料为吸能层2，厚度为20mm；纤维板为背侵彻面板3，厚度为5mm。
实施例4中获得的抗高速侵彻复合防护板密度为2.5g/cm3，强度可达120-200MPa，应用于盾牌和防弹背心的制作，可防护7.62mm口径子弹冲击。

Claims (9)

1.一种抗高速侵彻复合防护板，其特征在于，包括迎侵彻面板、吸能层以及背侵彻面板，所述背侵彻面板上依次设置有吸能层和迎侵彻面板，所述迎侵彻面板与吸能层通过真空渗流法一体化制备得到，所述背侵彻面板通过铆接或胶粘剂与吸能层进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种抗高速侵彻复合防护板，其特征在于：所述迎侵彻面板由铝基陶瓷复合材料制成，根据不同的防护要求厚度为5-20mm。
3.根据权利要求1所述的一种抗高速侵彻复合防护板，其特征在于：所述吸能层由氧化铝空心球增强铝基多孔材料制成，根据不同的防护要求厚度为10-50mm。
4.根据权利要求1所述的一种抗高速侵彻复合防护板，其特征在于：所述背侵彻面板由纤维板制成，根据不同的防护要求厚度为5-15mm。
5.根据权利要求1所述的一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制作迎侵彻面板和吸能层的一体板
步骤1.1，选取填充材料
取氧化铝空心球颗粒作为吸能层材料的填充颗粒；取陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒作为迎侵彻面板材料的填充颗粒；
将氧化铝空心球颗粒按不同目数筛分，得到不同尺寸的分级氧化铝空心球；将不同的陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒按不同尺寸和不同种类进行筛分，所述陶瓷材料包括氧化铝、碳化硅或者碳化硼；
步骤1.2，填充
在模具内底板上铺设下垫层；而后填充氧化铝空心球颗粒，待平整压实后在氧化铝空心球颗粒上方继续填充陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒，填充完后在最上方铺设上挡层；对模具进行预热；
步骤1.3，铝基体熔化
将铝基体加热至完全熔化后，继续保温，保证铝液达到热平衡状态；
步骤1.4，铸造过程
将模具与真空设备进行连接，并保证密封性；将铝液浇铸到模具后；开启真空泵，使铝液渗透流经颗粒间隙，其中真空度0.04-0.1MPa，渗流时间3s-60s，完成铸造过程；
步骤1.5，冷却
室温冷却并脱模，得到上层是铝基陶瓷复合材料下层是氧化铝空心球增强铝基多孔复合材料制成的迎侵彻面板和吸能层的一体板；
步骤2，使用切割机对迎侵彻面板和吸能层的上下不平整的表面进行平整处理；
步骤3，将背侵彻面板通过粘接剂或铆接的方式与吸能层进行连接，得到抗高速侵彻复合防护板。
6.根据权利要求5所述的一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，其特征在于：步骤1.2中所述的下垫层为依次铺设在模具内底板上的下层细铁丝网、开孔铁板和上层细铁丝网；所述的上挡层为粗铁丝网。
7.根据权利要求5所述的一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，其特征在于：步骤1.2中，当填充陶瓷空心管或陶瓷棒时，需要将其水平填充；填充氧化铝空心球颗粒以及陶瓷材料的总填充高度为20-80mm；其中陶瓷空心管、陶瓷棒或陶瓷颗粒等陶瓷材料的填充高度为8-25mm；对模具整体进行预热处理的预热温度为550-700℃，预热时间为2-4h。
8.根据权利要求5所述的一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，其特征在于：步骤1.3中，铝基体为2xxx、5xxx、6xxx铝合金或ZL1系和2系铝合金，铝基体加热温度650-750℃，保温时间为30-90min。
9.根据权利要求5所述的一种抗高速侵彻复合防护板的制作方法，其特征在于：步骤1.5中，室温冷却90-120min，得到铝基陶瓷复合材料和氧化铝空心球增强铝基多孔材料组成复合材料的一体板，复合材料的密度为2.0-2.5g/cm3；其中氧化铝空心球增强铝基多孔材料的密度为1.5-2.0g/cm3，铝基陶瓷复合材料的密度为2.0-2.6g/cm3。
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