CN115507703A - 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法 - Google Patents

一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115507703A
CN115507703A CN202211260254.8A CN202211260254A CN115507703A CN 115507703 A CN115507703 A CN 115507703A CN 202211260254 A CN202211260254 A CN 202211260254A CN 115507703 A CN115507703 A CN 115507703A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic
composite armor
armadillo
bionic
armor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211260254.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115507703B (zh
Inventor
刘双宇
朱鹏
陆萍
张福隆
胡琳杰
张浩立
洪捐
王立岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yancheng Institute of Technology
Yancheng Institute of Technology Technology Transfer Center Co Ltd
Original Assignee
Yancheng Institute of Technology
Yancheng Institute of Technology Technology Transfer Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yancheng Institute of Technology, Yancheng Institute of Technology Technology Transfer Center Co Ltd filed Critical Yancheng Institute of Technology
Priority to CN202211260254.8A priority Critical patent/CN115507703B/zh
Publication of CN115507703A publication Critical patent/CN115507703A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115507703B publication Critical patent/CN115507703B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • F41H5/0421—Ceramic layers in combination with metal layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • B28B11/243—Setting, e.g. drying, dehydrating or firing ceramic articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/10—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material
    • B32B3/12—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material characterised by a layer of regularly- arranged cells, e.g. a honeycomb structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/005—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising one layer of ceramic material, e.g. porcelain, ceramic tile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/041—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B32B2307/558—Impact strength, toughness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2571/00—Protective equipment
    • B32B2571/02—Protective equipment defensive, e.g. armour plates, anti-ballistic clothing

Abstract

本发明属于陶瓷/金属复合材料技术领域，公开了一种连续功能梯度陶瓷复合装甲及其制备方法，连续功能梯度陶瓷复合装甲为铝基包裹陶瓷骨架结构；陶瓷骨架的孔隙度按连续梯度变化的排布方式与犰狳仿生层连接，最外层犰狳仿生结构由多个仿生六面体组成，相邻六面体之间不接触，采用压力浸渗法使基体金属液渗透到预制陶瓷骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。本发明采用3D打印制备连续梯度极小曲面陶瓷骨架、犰狳仿生层和金属浸渗法相结合的方法制备一种抗多发打击的仿生复合装甲，具有抗多发打击能力强、结构整体性较优，改善陶瓷的强度和韧性，且工艺结构简单、合理。本发明对复合装甲进行形状设计和装配式生产，可设计性强，具有广泛的应用前景。

Description

一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷/金属复合材料技术领域，尤其涉及一种连续功能梯度陶瓷/ 金属仿生复合装甲及其制备方法。
背景技术
目前，陶瓷/金属复合装甲是结构最简单、研究最多的复合结构装甲。陶瓷/ 金属复合装甲是由陶瓷面板和金属面板粘结复合制成，或是由金属熔渗陶瓷骨架制成。这种复合装甲能够充分发挥了陶瓷与金属两种材料的优点，即利用陶瓷材料的高硬度使弹丸破碎、磨蚀，金属背板起支撑和约束陶瓷的作用，同时通过塑性变形吸收陶瓷和弹丸碎片的剩余能量。对这种结构而言，形成完整的陶瓷锥是充分发挥其抗弹性能的充分必要条件，面板与背板之间的黏结强度是形成陶瓷锥的重要条件。然而在实际应用过程中，该类装甲结构可能存在以下缺陷：①陶瓷受到弹丸冲击后，易发生脆性断裂，因此其抗二次打击能力较弱；②陶瓷/背板复合装甲通常采用小尺寸陶瓷板(块)，小尺寸陶瓷板的拼缝和角部区域抗弹性能弱于其中心区；③陶瓷/背板复合装甲之间一般为粘结连接，不同材料之间存在宏观界面，弹丸冲击会使粘结层失效而出现陶瓷与背板分离，导致抗弹性能及结构整体性降低。
专利CN 103667849A公开了一种金属基陶瓷复合材料及其制造方法和应用，金属基陶瓷复合材料是将基体金属通过挤压铸造技术渗透到陶瓷颗粒之间形成整体金属基陶瓷复合材料，它根据使用需求使基体金属中陶瓷颗粒的体积百分数可在10％～80％的范围内进行调整。但该发明中的陶瓷球多层排列结构采用陶瓷球密堆结构，即陶瓷球之间相互接触；因此，单位体积内陶瓷含量较高，而金属含量相对较低，未能对陶瓷球提供有效约束，复合材料抗侵彻整体性较弱，不利于抗多发打击。
专利CN 110895122A公开了一种金属－陶瓷梯度复合装甲及其制备方法，该复合装甲由从迎弹面至背弹面密实排列成2～4层的金属浇铸陶瓷球组成，径向相邻陶瓷球的直径差为1mm，陶瓷球厚度为复合装甲总厚度的2/3。但采用密堆结构陶瓷球结构单位体积内陶瓷含量较大，虽然硬度很大但韧性不足，容易导致单发损伤区域大、不利于装甲的抗多发打击能力。
综上所述，现有的陶瓷/金属复合装甲大都采用陶瓷球密堆结构，单位体积内陶瓷含量较大，硬度满足要求但韧性不足，复合材料整体抗侵彻较弱，不利于抗多发打击。因此，需要对陶瓷/金属复合装甲的设计及制备工艺进行改进和优化。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的陶瓷/金属复合装甲，陶瓷受到弹丸冲击后，易发生脆性断裂，因此其抗二次打击能力较弱；陶瓷/背板复合装甲通常采用小尺寸陶瓷板(块)，小尺寸陶瓷板的拼缝和角部区域抗弹性能弱于其中心区。
(2)现有的陶瓷/金属复合装甲中，陶瓷/金属背板复合装甲之间一般为粘结连接，不同材料之间存在宏观界面，弹丸冲击会使黏结层失效而出现陶瓷与背板分离，导致抗弹性能及结构整体性降低。
(3)现有的功能梯度复合装甲通常采用陶瓷球密堆结构，该结构为非连续梯度结构，复合装甲中陶瓷球按照大小不同梯次排列，金属充斥其中，陶瓷含量存在阶跃变化；单位体积内陶瓷含量较高，而金属含量相对较低，复合材料抗侵彻整体性较弱。
(4)现有的金属-陶瓷梯度复合装甲中，采用密堆结构陶瓷球结构单位体积内陶瓷含量较大，这种结构硬度很大但韧性不足，容易导致单发损伤区域大、不利于装甲的抗多发打击能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种连续功能梯度陶瓷/金属复合装甲及其制备方法，尤其涉及一种基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷/金属复合装甲及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种连续功能梯度陶瓷/金属复合装甲，所述连续功能梯度陶瓷/金属复合装甲为金属铝包裹连续梯度极小曲面陶瓷骨架结构；所述犰狳仿生陶瓷层如图2所示，所述孔隙度按连续梯度变化的陶瓷骨架如图3所示；大面积复合装甲由多个存在间隙的犰狳仿生六面体构成，效果图如图4所示。制备工艺路线按图5所示，经建模设计、3D打印制备仿生犰狳层与连续梯度陶瓷骨架的复合体，后采用压力浸渗法使基体金属液体渗透预制连续梯度陶瓷骨架，实现连续功能梯度仿生陶瓷/金属复合装甲的一体熔铸成型。
进一步，所述复合装甲迎弹面第一层犰狳仿生层的仿生表面为厚度1～3mm 的微曲表面及4～8mm的陶瓷实体，相邻仿生六面体在水平方向的间隔均为4mm。
进一步，所述复合装甲中犰狳仿生层与连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层厚度相同，均为弹体直径的1.0～1.5倍，所述复合装甲中连续梯度极小曲面的孔隙度呈函数变化，所述函数公式为
cos(ω×x)×sin(ω×y)+cos(ω×y)×sin(ω×z)+cos(ω×z)×sin(ω×x)-a×z+b
Figure BDA0003890697710000031
其中，该函数中x、y、z均为生成的极小曲面结构各方向长度数值；l为极小曲面单胞大小；a、b为任意常数，修改该参数可获得不同连续梯度变化的极小曲面模型。
进一步，背弹面底板厚度为弹体直径的0.4～1.5倍；所述背弹面底板由基体金属通过压力浸渗法直接生成的金属板；所述压力浸渗法即为将烧结完成的陶瓷骨架坯体与熔铸模具组装，熔铸模具上方放入基体金属并置于真空熔渗炉中，抽真空至10～12.5Pa以下后，再升温至850～900℃，缓慢加压至12.5～15MPa并保压保温1～1.5h后降温。在熔渗同时，剩余金属液在模具约束下熔铸生成背弹面。
进一步，所述犰狳仿生层和连续梯度极小曲面陶瓷骨架的材质均为氧化物、碳化物或氮化物陶瓷；所述熔渗金属与金属背板的材质为铝合金或钛合金。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述的连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，所述连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法包括以下步骤：
步骤一，复合装甲结构设计：归纳犰狳结构与极小曲面结构，在三维软件中建模并装配成型；设计的结构满足偏航效应并实现连续梯度的物相变化；
步骤二，完成陶瓷坯体的打印：调制陶瓷浆料，3D打印仿生层和陶瓷骨架的装配结构；
步骤三，获得复合装甲坯体：去除制得陶瓷坯体表面杂质并进行干燥、升温脱脂烧结；组装模具，将烧结后的陶瓷体放入模具中进行压力浸渗与背板熔铸，
步骤四，后处理：成型后脱模，经后处理后，常温条件下降温并打磨成型，即得所述基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
进一步，所述步骤一中的复合装甲模型设计包括：
统计犰狳甲壳结构特征，总结归纳结构特点，并在三维设计软件中建模，与在Rhino中生成的连续梯度极小曲面骨架完成装配。
进一步，所述步骤二中，将样条放入真空烧结炉中进行脱脂烧结，以 0.5～4℃/min的升温速率阶段升温至800℃，保温0.5～1h之后，以10℃/min的升温速率升温至1600～1650℃，保温0.5～1h后随炉冷却，完成陶瓷材料的脱脂与烧结。
进一步，所述步骤三中，将烧结完成的连续梯度陶瓷坯体与模具组装，并与铝合金块体放入熔渗模具并置于真空熔渗炉中，抽真空至10～12.5Pa以下后，再升温至750℃～900℃，缓慢加压至12.5～15MPa并保压保温1h后降温，完成压力熔渗。
进一步，所述步骤四中，将熔渗制备的复合装甲在495℃下保温1.5～2h进行淬火处理，取出后在190～200℃下保温12h进行时效处理；取出后将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，得到基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明提供的连续梯度仿生陶瓷/金属背板复合装甲及其制备方法，具体涉及采用3D打印制备犰狳仿生层和连续梯度极小曲面陶瓷骨架，并与金属浸渗法相结合制备一种抗多发打击的仿生复合装甲。另外，本发明还具有以下有益效果：
本发明设计的迎弹面由多个仿生犰狳六面体平铺规则排列，上表面为仿生犰狳微曲表面，可有效改变弹丸冲击方向、降低损伤。
本发明设计的陶瓷骨架的孔隙度大小从迎弹面到背弹面呈连续梯度配置，且金属材料充斥在陶瓷骨架各层之间呈连续梯度分布，金属材料提供的三维约束改善了陶瓷的强度和韧性。
采用本发明方法制得的仿生复合装甲具有“偏航效应”。陶瓷骨架(硬质相)在金属材料(软质相)中宏观分布不均匀，使得弹体在侵彻过程中容易受到不对称阻力而偏航。而且犰狳仿生层的微曲表面形状效应进一步增强了对弹体偏航的诱导，提升了抗弹性能。
本发明设计陶瓷骨架与金属基体软硬相交替的多层增韧结构，陶瓷(硬质相)在受到弹丸冲击后，因吸收能量而出现裂纹，周围包裹的金属材料(软质相)通过诱导裂纹的偏转有效阻止裂纹穿透扩展；单发打击损伤区域为弹径的 1.2～3.6倍(而陶瓷块拼装结构的损伤区域为弹径的8.0～10.0倍)，本发明设计的仿生复合装甲抗多发打击和整体性能较优。
本发明方法设计连续梯度结构陶瓷-压力熔铸一体成型制备陶瓷/金属仿生复合装甲。经浆料配置、光固化打印犰狳仿生层和连续梯度极小曲面陶瓷骨架后，将坯体烧结后，抽真空并压力熔渗金属液，进行加压高温处理，一次成型，整体性好。
本发明提供的基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度极小曲面陶瓷/金属仿生复合装甲，该仿生复合装甲具有抗多发打击能力强、结构整体性较优，且制备工艺路线简单、合理。本发明中迎弹面采用仿生设计，通过仿生犰狳甲壳结构的微曲表面，借助陶瓷的硬度与微曲表面的偏航效应使得弹体偏向以至于达到防弹效果；本发明中连续功能梯度极小曲面陶瓷骨架与金属基体的有效结合使得复合装甲整体性加强，金属基体在构成防护材料的同时保护了破碎陶瓷碎片的迸溅。本发明可对复合装甲进行仿生形状设计、陶瓷骨架孔隙梯度设计和简便式快速生产，可设计性强，具有广泛的应用前景。
本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本技术方案转化后可产生巨大的潜在经济效益，针对现代战场高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击，本发明设计的复合装甲具备易于装卸、轻便化、制备简单等优点，在装备防护制造领域具有巨大优势。
本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明解决了复合材料中材料成分连续梯度的技术难题，使得陶瓷与金属复合物的组分、结构连续的变化，由陶瓷相过渡到金属相形成一种物性参数连续变化，避免了陶瓷面板与被板材料的适配问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的复合装甲半剖视图与三维模型图；其中，a为陶瓷犰狳仿生层及连续功能梯度极小曲面陶瓷骨架，b为填充基体金属液及背弹面底板；
图3是本发明实施例提供的连续功能梯度极小曲面陶瓷骨架的三维示意图及实际效果图；
图4是本发明实施例提供的复合装甲三维示意图；
图5是本发明实施例提供的采用压力浸渗制备基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲制备工艺流程图；
图6是本发明实施例提供的无压铝液熔渗多孔SiC陶瓷的示意图；
图中：1、坩埚；2、预制多孔SiC陶瓷；3、铝块；
图7是本发明应用实施例提供的3D打印制品。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种连续功能梯度陶瓷复合装甲及其制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
实施例1
本发明实施例提供的连续功能梯度陶瓷复合装甲为铝基包裹陶瓷骨架结构；陶瓷骨架的孔隙度按连续梯度变化的排布方式与犰狳仿生层连接，最外层犰狳仿生结构由多个仿生六面体组成，相邻六面体之间不接触，采用压力浸渗法使基体金属液渗透到预制陶瓷骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。
本发明实施例提供的复合装甲迎弹面第一层犰狳仿生层的仿生表面为厚度 1～3mm的微曲表面及4～8mm的陶瓷实体，相邻仿生六面体在水平方向的间隔均为4～6mm；复合装甲中犰狳仿生层与连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层厚度相同，均为弹体直径的1.0～1.5倍，复合装甲中连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层孔隙度参数随函数变化。
本发明实施例提供的背弹面底板厚度为弹体直径的0.4～1.5倍；背弹面底板由基体金属通过压力浸渗法直接生成或者为基体底面再粘接的金属或纤维复合材料板；犰狳仿生层和连续梯度极小曲面陶瓷骨架的材质均为陶瓷；熔渗金属与金属背板的材质为铝或铝合金。
如图1所示，本发明实施例提供的连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法包括以下步骤：
S101，复合装甲结构设计：归纳犰狳结构与极小曲面结构，在三维软件中建模并装配成型；
S102，完成陶瓷坯体的打印：调制陶瓷浆料，3D打印仿生层和陶瓷骨架的装配结构；
S103，去除制得陶瓷坯体表面杂质并进行干燥、升温脱脂烧结；组装模具，将烧结后的陶瓷体放入模具中进行压力浸渗与背板熔铸；
S104，成型后脱模，后处理后，常温条件下降温，打磨成型，即得所述基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
本发明实施例提供的步骤S101中的复合装甲模型设计包括：统计犰狳甲壳结构特征，总结归纳结构特点，建模并在三维设计软件中与连续梯度极小曲面骨架完成装配。
本发明实施例提供的步骤S102中，将样条放入真空烧结炉中进行脱脂烧结，以0.4～1℃/min的升温速率升温至600～650℃，保温0.5～1h之后，以4～10℃/min 的升温速率升温至1600～1650℃，保温0.5～1h后随炉冷却，完成脱脂烧结。较慢的升温速率使得陶瓷坯体缓慢脱脂，进而脱脂得到致密的陶瓷体；阶梯式升温曲线可以获得硬度相对较高的陶瓷；烧结温度在1600℃左右时，获得的陶瓷体性能良好，不易开裂。
本发明实施例提供的步骤S103中，将烧结完成的坯体与模具组装和铝合金块体放入熔渗模具并置于真空熔渗炉中，抽真空至10～12.5Pa以下后，抽空熔渗炉中的氧气，防止金属氧化影响熔渗进程。再升温至高于铝熔点的700～750℃，缓慢加压至12.5～15MPa并保压保温0.5～1h后降温，完成压力熔渗。在 12.5～15MPa下熔渗进程良好。
本发明实施例提供的步骤S104中，将熔渗制备的复合装甲在495℃下保温 1.5～2h进行淬火处理，取出后在190℃下保温10～12h进行时效处理以增强复合装甲的强度；取出后将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，得到基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
在本发明实施例中，作为一个优选的方案，步骤二中，将样条放入真空烧结炉中进行脱脂烧结，以1℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h之后，以 10℃/min的升温速率升温至1650℃，保温0.5h后随炉冷却，完成脱脂烧结。
在本发明实施例中，作为一个优选的方案，步骤三中，将烧结完成的坯体与模具组装和铝合金块体放入熔渗模具并置于真空熔渗炉中，抽真空至10Pa以下后，再升温至750℃，缓慢加压至15MPa并保压保温30min后降温，完成压力熔渗。
在本发明实施例中，作为一个优选的方案，步骤四中，将熔渗制备的复合装甲在495℃下保温90min进行淬火处理，取出后在190℃下保温12h进行时效处理；取出后将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，得到基于犰狳甲壳仿生的功能梯度陶瓷复合装甲。
实施例2
作为优选，本发明实施例基于“犰狳仿生”软硬交替的增韧机制、陶瓷材料的形状效应和约束效应等，设计了一种基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲，采用激光增材制造和压力浸渗工艺相结合的方法制备复合装甲。
本发明实施例提供的打印成型的犰狳仿生层如图2所示，本发明优选实施例的复合装甲三维示意图如图3所示。
如图4所示，本发明实施例提供的复合装甲为基体包裹下层陶瓷骨架；陶瓷骨架按极小曲面结构孔隙度连续梯度排列，采用压力浸渗法使基体溶液渗透到陶瓷骨架的缝隙中从而形成完整的复合装甲。本发明实施例提供的复合装甲上层为仿生犰狳陶瓷，其余下层陶瓷骨架一并打印成型。
作为优选，本发明实施例提供的预制骨架和基体金属的材质为铝或铝合金；其中，陶瓷浆料的材质为氧化铝。
作为优选实施例，如图5所示，本发明实施例提供了一种压力浸渗犰狳仿生连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，仿生层与陶瓷骨架设计；参考自然界中的犰狳甲壳结构，设计所需仿生层及与之匹配的骨架结构，并设置骨架孔隙度梯度变化量；
步骤2，配置陶瓷浆料并打印、烧结；将所需陶瓷粉末处理后与烧结助剂混合成浆，使用激光打印器进行3D打印成型，成型后清洗杂质，置于烧结炉中脱脂烧结成型；
步骤3，高温压力熔渗。将待浸渗的预制件放入模具中，并用石墨隔板将各预制件分隔，外面通过固定扣件包套并焊接，每个石墨隔板上留有2mm×5mm 浸渗连通通道进行基体金属熔液浸渗；浸渗过程中调控浸渗炉内压力、温度和时间等条件。预制件的预热温度为550～620℃，预热时间4.0～4.5h。基体金属熔液温度控制在600～750℃，浸渗炉内压力为5.5～7.0MPa，加压试件为0.5～1.0h；
步骤4，打磨成型。预制件浸渗完成后，常温下降温；待温度降至安全范围后，去除模具，将复合装甲周边多余金属层进行打磨成设计尺寸。
作为优选实施例，如图6所示，本发明实施例提供了一种无压浸渗犰狳仿生连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法。前期制备步骤与上述压力浸渗相同，在步骤3中，将待浸渗的预制件放入模具中，预制件的预热温度为550～620℃，预热时间4.0～4.5h。铝块置于预制体正上方进行熔渗，基体金属熔液温度控制在 600～750℃，在氮气氛围下进行无压浸渗。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明应用实施例提供的连续功能梯度陶瓷复合装甲为铝基包裹氧化铝陶瓷骨架结构；陶瓷骨架的孔隙度按连续梯度与犰狳仿生层连接，最外层犰狳仿生结构由多个正方形仿生体组成。经脱脂烧结后，采用无压浸渗法使基体金属液渗透到预制陶瓷骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。
本发明实施例提供的复合装甲迎弹面第一层犰狳仿生层的仿生表面为厚度1.25mm的微曲表面及4mm厚的正方体陶瓷实体；复合装甲中连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层厚度为8mm，复合装甲中连续梯度极小曲面生成函数为：
cos(2×x)×sin(2×y)+cos(2×y)×sin(2×z)+cos(2×z)×sin(2×x)-0.094×z-0.233
本发明实施例提供的背弹面底板厚度为弹体直径的0.4～1.5倍；背弹面底板由基体金属通过无压浸渗法直接生成或者为基体底面再粘接的金属或纤维复合材料板；犰狳仿生层和连续梯度极小曲面陶瓷骨架的材质均为氧化铝陶瓷；熔渗金属与金属背板的材质为铝或铝合金。
本发明实施例提供的连续功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法包括以下步骤：
步骤一，复合装甲模型设计；
步骤二，调制氧化铝陶瓷浆料；光固化打印陶瓷坯体；
步骤三，干燥、去除制得陶瓷坯体表面杂质并脱脂烧结；组装模具，将预制件放入模具中进行无压浸渗与背板熔铸；
步骤四，成型后脱模，后处理后打磨成型，即得所述基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
本发明实施例提供的步骤一中的复合装甲模型设计包括：统计犰狳甲壳结构特征，总结归纳结构特点，建模并在三维设计软件中与在Rhino生成的连续梯度极小曲面骨架组装完成。
本发明实施例提供的步骤三中，将经真空干燥箱干燥后的陶瓷坯体放入真空烧结炉中进行脱脂烧结，干燥后的陶瓷坯体如图7所示。烧结初始温度T1为 50℃，经阶梯式升温脱脂后保温2h，后以2℃/min的升温速率升温至1600℃，保温1.5h随炉冷却，完成脱脂烧结。
本发明实施例提供的步骤三中，将烧结完成的坯体与模具组装和铝块放入熔渗模具并置于真空熔渗炉中，抽真空并冲入氮气至常压状态，再升温至1100℃，并保温3h后降温，完成无压熔渗。
本发明实施例提供的步骤四中，将熔渗制备的复合装甲在495℃下保温 90min进行淬火处理，取出后在190℃下保温12h进行时效处理；取出后将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，得到基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合实验过程的数据、图表等进行描述。
依据一维应力波在连续功能梯度材料中的传播规律指出，虽然连续功能梯度材料界面反射回的应力波峰值比从阶跃变化的界面反射的应力波的峰值高，但是前者存在一个滞后的时间，可以延迟材料的损伤，采用连续梯度极小曲面结构的复合装甲在延迟损伤、停滞炮弹等方面优于层状复合或梯度复合装甲。较之传统平整迎弹面，合装甲迎弹面的犰狳仿生层微曲表面的“偏航效应”使得炮弹偏转降速以降低装甲损伤。
此外，本发明制备陶瓷坯体采用的3D打印方法优于传统粉末烧结，此方法可打印连续梯度极小曲面等复杂结构且制备简单、不需要价格高昂的模具。在金属背板加装方面，本发明提供的制备方法为在熔渗过程中，通过模具的约束直接熔铸成型。此种方法较之现在的金属背板粘接技术减少了复合装甲因二者结合问题出现的背板脱节问题，整个结构一体成型加强了复合装甲的整体性。在组装过程中，该复合装甲由N个上述复合装甲小模块构成，抗多发打击能力得到了加强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功能梯度陶瓷复合装甲，其特征在于，所述功能梯度陶瓷复合装甲为铝基包裹陶瓷骨架结构；所述陶瓷骨架的孔隙度按连续梯度变化的排布方式与犰狳仿生层连接，最外层犰狳仿生结构由多个仿生六面体组成，相邻六面体之间不接触，采用压力浸渗法使基体金属液渗透到预制陶瓷骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。
2.如权利要求1所述的功能梯度陶瓷复合装甲，其特征在于，所述复合装甲迎弹面第一层犰狳仿生层的仿生表面为厚度1～3mm的微曲表面及4～8mm的陶瓷实体，相邻仿生六面体在水平方向的间隔均为4～6mm。
3.如权利要求1所述的功能梯度陶瓷复合装甲，其特征在于，所述复合装甲中犰狳仿生层与连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层厚度相同，均为弹体直径的1.0～1.5倍，所述复合装甲中连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层孔隙度参数随函数变化。
4.如权利要求1所述的功能梯度陶瓷复合装甲，其特征在于，背弹面底板厚度为弹体直径的0.4～1.5倍；所述背弹面底板由基体金属通过压力浸渗法直接生成或者为基体底面再粘接的金属或纤维复合材料板；
复合装甲迎弹面第一层犰狳仿生层的仿生表面为厚度1～3mm的微曲表面及4～8mm的陶瓷实体；复合装甲中连续梯度极小曲面陶瓷铸铝层厚度为8～10mm，复合装甲中连续梯度极小曲面生成函数为：
cos(ω×x)×sin(ω×y)+cos(ω×y)×sin(ω×z)+cos(ω×z)×sin(ω×x)-a×z+b
Figure FDA0003890697700000011
其中，该函数中x、y、z均为生成的极小曲面结构各方向长度数值；l为极小曲面单胞大小；a、b为任意常数，修改该参数可获得不同连续梯度变化的极小曲面模型。
5.如权利要求1所述的功能梯度陶瓷复合装甲，其特征在于，所述犰狳仿生层和梯度极小曲面陶瓷骨架的材质均为氧化物、碳化物或氮化物陶瓷；所述熔渗金属与金属背板的材质为铝合金或钛合金。
6.一种实施如权利要求1～5任意一项所述的功能梯度陶瓷复合装甲的功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，所述功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法包括以下步骤：
步骤一，复合装甲结构设计：归纳犰狳结构与极小曲面结构，在三维软件中建模并装配成型；设计的结构满足偏航效应并实现连续梯度的物相变化；
步骤二，完成陶瓷坯体的打印：调制陶瓷浆料，3D打印仿生层和陶瓷骨架的装配结构；
步骤三，获得复合装甲坯体：去除制得陶瓷坯体表面杂质并进行干燥、升温脱脂烧结；组装模具，将烧结后的陶瓷体放入模具中进行压力浸渗与背板熔铸，
步骤四，后处理：成型后脱模，经后处理后，常温条件下降温并打磨成型，即得所述基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
7.如权利要求6所述的功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的复合装甲模型设计包括：
统计犰狳甲壳结构特征，总结归纳结构特点，建模并在三维设计软件中与连续梯度极小曲面骨架组装完成。
8.如权利要求6所述的功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，将样条放入真空烧结炉中进行脱脂烧结，以0.4～1℃/min的升温速率升温至600～650℃，保温0.5～1h之后，以4～10℃/min的升温速率升温至1600～1650℃，保温0.5～1h后随炉冷却，完成脱脂烧结。
9.如权利要求6所述的功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，将烧结完成的坯体与模具组装和铝合金块体放入熔渗模具并置于真空熔渗炉中，抽真空至10～12.5Pa以下后，抽空熔渗炉中的氧气，防止金属氧化影响熔渗进程；再升温至高于铝熔点的700～750℃，缓慢加压至12.5～15MPa并保压保温0.5～1h后降温，完成压力熔渗。
10.如权利要求6所述的功能梯度陶瓷复合装甲的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，将熔渗制备的复合装甲在495℃下保温1.5～2h进行淬火处理，取出后在190℃下保温10～12h进行时效处理以增强复合装甲的强度；取出后将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，得到基于犰狳甲壳仿生的连续功能梯度陶瓷复合装甲。
CN202211260254.8A 2022-10-14 2022-10-14 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法 Active CN115507703B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211260254.8A CN115507703B (zh) 2022-10-14 2022-10-14 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211260254.8A CN115507703B (zh) 2022-10-14 2022-10-14 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115507703A true CN115507703A (zh) 2022-12-23
CN115507703B CN115507703B (zh) 2024-03-15

Family

ID=84509711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211260254.8A Active CN115507703B (zh) 2022-10-14 2022-10-14 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115507703B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116512708A (zh) * 2023-04-14 2023-08-01 华中科技大学 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用
CN116872573A (zh) * 2023-06-02 2023-10-13 华中科技大学 一种隔热承载一体化材料及其制备方法与应用

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000336438A (ja) * 1999-03-25 2000-12-05 Kubota Corp 金属−セラミックス複合材料およびその製造方法
CN110895122A (zh) * 2018-09-13 2020-03-20 南京理工大学 一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法
CN112240729A (zh) * 2019-07-16 2021-01-19 张志国 一种三维网络陶瓷骨架金属基复合装甲基板及液锻复合方法
CN114812276A (zh) * 2022-05-18 2022-07-29 哈尔滨工业大学 一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法
CN114935279A (zh) * 2022-04-08 2022-08-23 北京理工大学 一种金属浇铸预应力陶瓷复合防护装甲及其制备方法
CN115024866A (zh) * 2022-06-15 2022-09-09 山东科技大学 一种低弹性模量高强度生物医用变梯度多孔支架结构及其构建方法
WO2022183564A1 (zh) * 2021-03-05 2022-09-09 南京航空航天大学 一种可控网络陶瓷/金属复合材料制备工艺
CN115161508A (zh) * 2022-07-08 2022-10-11 北京理工大学 一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品
US20230235802A1 (en) * 2020-09-30 2023-07-27 Ming Fang Light metal structure-function dual-gradient composite brake disc (brake drum)

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000336438A (ja) * 1999-03-25 2000-12-05 Kubota Corp 金属−セラミックス複合材料およびその製造方法
CN110895122A (zh) * 2018-09-13 2020-03-20 南京理工大学 一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法
CN112240729A (zh) * 2019-07-16 2021-01-19 张志国 一种三维网络陶瓷骨架金属基复合装甲基板及液锻复合方法
US20230235802A1 (en) * 2020-09-30 2023-07-27 Ming Fang Light metal structure-function dual-gradient composite brake disc (brake drum)
WO2022183564A1 (zh) * 2021-03-05 2022-09-09 南京航空航天大学 一种可控网络陶瓷/金属复合材料制备工艺
CN114935279A (zh) * 2022-04-08 2022-08-23 北京理工大学 一种金属浇铸预应力陶瓷复合防护装甲及其制备方法
CN114812276A (zh) * 2022-05-18 2022-07-29 哈尔滨工业大学 一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法
CN115024866A (zh) * 2022-06-15 2022-09-09 山东科技大学 一种低弹性模量高强度生物医用变梯度多孔支架结构及其构建方法
CN115161508A (zh) * 2022-07-08 2022-10-11 北京理工大学 一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116512708A (zh) * 2023-04-14 2023-08-01 华中科技大学 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用
CN116872573A (zh) * 2023-06-02 2023-10-13 华中科技大学 一种隔热承载一体化材料及其制备方法与应用
CN116872573B (zh) * 2023-06-02 2024-03-19 华中科技大学 一种隔热承载一体化材料及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN115507703B (zh) 2024-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115507703A (zh) 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法
CN100575861C (zh) 一种金属/陶瓷复合材料的装甲及其制备方法
CN102774075B (zh) 多孔金属封装陶瓷复合防护板及其制备方法
CN109468549B (zh) 一种3d编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法
CN107760951B (zh) 一种金刚石/铝复合材料及其低成本制备方法
CN110216291B (zh) 钛封装陶瓷/Al3Ti-Al-TC4仿生叠层复合材料及其制备方法
CN110895122A (zh) 一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法
CN104588664A (zh) 一种金属封装陶瓷基体复合材料及其制作方法与应用
CN108751996A (zh) 一种石墨烯增韧的碳化硼陶瓷材料及其等离子烧结制备工艺
CN108871073B (zh) 一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法
CN107353008A (zh) 一种层状金属‑陶瓷复合材料零件的制备方法
CN108516831A (zh) 一种防弹陶瓷整板的制备方法
CN110280769A (zh) 一种圆柱交错堆叠结构的Ti-Ti2AlC/TiAl3叠层复合材料及其制备方法
CN114935279B (zh) 一种金属浇铸预应力陶瓷复合防护装甲及其制备方法
CN113959264A (zh) 一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲及其制备方法
CN104329988B (zh) 一种防弹陶瓷片及其制备方法
CN108516832A (zh) 一种石墨烯增韧的碳化硼陶瓷材料及其制备工艺
CN111663062A (zh) 一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法
CN115533080A (zh) 具备梯度孔隙率的多孔陶瓷增强金属复合装甲的制备方法
CN107088658B (zh) 一种梯度功能复合刀片的制造方法
CN116393677B (zh) 一种高通量近净成形制备金刚石/铝复合材料的方法
CN115365504B (zh) 一种B4C/Al仿贝壳梯度装甲及其制备方法
CN114941964B (zh) 一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法
CN110238403B (zh) 轻量化夹心结构的复合材料及其制备方法
CN108327165B (zh) 一种钛合金骨架复合材料机匣的制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant