CN104964607B - 一种带增强相梯度层的装甲板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种带增强相梯度层的装甲板及其制备方法，首先配置出增强相材料含量不同的复合粉体，然后依次向包套中装入增强相材料含量不同的复合粉体，除气后将包套放置于振动台上，通过适当震动利用重力弱化不同成分层之间的增强相含量差，获得增强相含量呈连续梯度分布的石墨烯/陶瓷‑金属复合粉体，随后对包套进行热等静压、热挤压获得轻质梯度装甲板。其中，增强相为石墨烯与碳化硅、碳化硼中的一种或两种混合物，基体为5083高强度铝合金。本发明利用粉末冶金工艺制备连续梯度轻质装甲板，对设备要求低，工艺简单，极大地降低了生产成本。

Description

一种带增强相梯度层的装甲板及其制备方法

技术领域

本发明是一种带增强相梯度层的装甲板及其制备方法，属于轻质装甲防护材料领域。

技术背景

常用的装甲材料主要有金属、聚合物复合材料、陶瓷装甲和反应装甲等。高合金钢是一种较常用的金属装甲，其缺点是密度大、抗压强度明显低于陶瓷材料。陶瓷材料由于具有高抗压强度和硬度，具有良好的抗破甲能力，但是其韧性较差，很难作为独立的装甲防护材料使用。金属-陶瓷的科学复合既能发挥陶瓷的抗破甲能力，又能发挥金属的抗冲击和抗崩落能力来保持装甲板的结构完整性，是装甲应用和发展的趋势。

结构复合最典型的应用是“三明治”结构的陶瓷-金属复合装甲，利用胶黏剂将陶瓷-金属板粘结在一起。这种简单层叠的复合装甲因其在陶瓷-金属结合面存在较大的波阻抗差，使入射的压力波在结合面处分解为透射波、反射的拉伸波和横向的剪切应力。反射的拉伸波和横向的剪切应力会导致陶瓷面板的进一步碎裂和陶瓷-金属粘结处出现大面积的开裂，使复合装甲失去抗弹能力。为了解决压缩应力波在界面上的分解，主要通过材料制备工艺的调整制备出金属-陶瓷多相的复合装甲。

目前，采用物理、化学气相沉积法(PVD、CVD法)、粒子排列法等方法制备的梯度材料为连续分布梯度材料，但是由于制备工艺的限制，所获得的梯度材料只有几十微米厚，满足不了实际装甲板的应用要求。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种带增强相梯度层的装甲板及其制备方法，其目的是提供一种新型结构的带增强相梯度层的装甲板，并设计了通过热等静压+热挤压的粉末冶金工艺进行制备，使该种装甲板的带增强相梯度层的厚度大幅增加，获得具有更高强度和韧性的装甲板，提高了抗弹性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明技术方案提供了一种带增强相梯度层的装甲板，其特征在于：该装甲板的基体材料为强度超过150MPa的铝合金，从基体材料的外表面向上制备3～5层的增强相梯度层，增强相梯度层是由石墨烯和陶瓷的混合物与基体材料的铝合金组成，各梯度层中成分的重量百分比采用如下之一：

a当制备3层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

b当制备4层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物40％～45％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物60％～65％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

c当制备5层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物35％～40％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物70％，余量为铝合金，第五梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

石墨烯和陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～10％。

装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金。

石墨烯与陶瓷混合物中的陶瓷为碳化硅、碳化硼中的一种或两种的混合物。

本发明技术方案还提供了一种制备所述带增强相梯度层的装甲板的方法，其特征在于：该方法的步骤为：

⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵按石墨烯与陶瓷的重量百分关系称取陶瓷粉末，将陶瓷粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与陶瓷的混合物；

⑸将石墨烯与陶瓷的混合物与铝合金粉末按不同梯度层的配比称取，在混料机中进行混合，得到制备不同梯度层的混合粉体；

⑹先在包套中装入作为基体材料的铝合金粉末层，然后再将不同梯度层的混合粉体依次按基体材料的外表面向上的梯度层顺序装入包套，铝合金粉末层和梯度层的混合粉体的高度均为10mm～15mm，为了使装入的混合粉体表面平整，装粉工作在小型振动台上进行；

⑺全部粉体依次加入包套后，对包套进行抽真空处理，抽真空的同时进行加热，加热温度为400～500℃，当真空度达到10^-2Pa以下时对包套进行密封，除去石墨烯/金属复合粉末中的蒸汽、夹杂气体，避免铝合金颗粒表面形成氧化膜；

⑻包套除气后在振动台上进行5min～10min的相当于手动操作力量的震动，利用石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉体密度的差异，在震动的作用下使不同梯度层的界面弱化，使整个包套内石墨烯与陶瓷的混合物含量呈连续的梯度分布；

⑼随后对包套进行热等静压获得密实的石墨烯/陶瓷增强铝合金复合材料，热等静压温度为450～500℃，压力为100～120MPa，保温时间为0.5～2h；

⑽最后对包套进行热挤压，热挤压温度为400～500℃，压力为5～10MPa，车加工去除包套，最终得到了带增强相梯度层的装甲板。

大量性能测试及研究结果表明，用于装甲防护的材料要求表面具备高强度高冲击性能，而内部需求高阻尼性能吸收能量，从而达到优良的装甲防护功能。从表面到内部的装甲材料对强度性能和阻尼性能的要求是不一样的，从表面到内部，对强度性能要求越来越低，而对阻尼性能要求越来越高，所以对应的增强相的含量从表面到内部应该逐渐降低。本发明旨在制备一种这样的新型增强相梯度材料，使得装甲材料从表面到内部的性能均能满足装甲防护材料提出的要求。同时本发明采用包套热等静压加热挤压的工艺，能够满足制备大尺寸梯度材料的要求，而且采用此种粉末冶金工艺，更好的提高了材料的性能。

本发明技术方案所述的轻质梯度装甲板同时采用石墨烯和陶瓷材料对高强度铝合金进行增强，获得的装甲板具有超高的强度同时具有良好的韧性，保证了良好的抗弹性能。在制备时，先将石墨烯与陶瓷颗粒通过球磨混合均匀，使石墨烯附着在陶瓷颗粒上，在随后与铝粉混料中均匀分散在铝基体中，再利用石墨烯粉、陶瓷颗粒和铝粉密度的不同，在振动台上使不同相材料更加均匀的分布，解决石墨烯在铝合金中的分散问题，完成阶梯型梯度材料向连续梯度材料的转变，所用的方法简单，易于实现产业化。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

制备带三层增强相梯度层的装甲板，装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金，增强相为石墨烯与碳化硅的混合物，石墨烯在混合物中的重量百分比为0.5％，该装甲板三层增强相梯度层的成分及重量百分比为：

从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

制备所述带增强相梯度层的装甲板的方法的步骤为：

⑴将5g石墨烯加入到1000ml酒精溶液中，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵称取1000g碳化硅粉末，将碳化硅粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与碳化硅的混合物；

⑸将石墨烯与碳化硅的混合物与5083铝合金粉末按不同梯度层的配比称取，在混料机中进行混合，得到制备不同梯度层的混合粉体；

⑹先在包套中装入作为5083铝合金粉末层，然后再将不同梯度层的混合粉体依次按基体材料的外表面向上的梯度层顺序装入包套，包套尺寸为Ф70mm×80mm，铝合金粉末层和梯度层的混合粉体的高度均为10mm，为了使装入的混合粉体表面平整，装粉工作在小型振动台上进行，松装量不低于1.6g/cm3；

⑺全部粉体依次加入包套后，对包套进行抽真空处理，抽真空的同时进行加热，加热温度为480℃，当真空度达到10^-2Pa以下时对包套进行密封，除去石墨烯/金属复合粉末中的蒸汽、夹杂气体，避免铝合金颗粒表面形成氧化膜；

⑻包套除气后在振动台上进行10min的相当于手动操作力量的震动，利用石墨烯与碳化硅混合物和5083铝合金粉体密度的差异，在震动的作用下使不同梯度层的界面弱化，使整个包套内石墨烯与陶瓷的混合物含量呈连续的梯度分布；

⑼随后对包套进行热等静压获得密实的石墨烯/陶瓷增强铝合金复合材料，热等静压温度为480℃，压力为110MPa，保温时间为1h；

⑽最后对包套进行热挤压，热挤压温度为410℃，压力为10MPa，车加工去除包套，最终得到了带增强相梯度层的装甲板。

实施例2

制备带四层增强相梯度层的装甲板，装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金，增强相为石墨烯与碳化硼的混合物，石墨烯在混合物中的重量百分比为1％，该装甲板四层增强相梯度层的成分及重量百分比为：

从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物40％～45％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物60％～65％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

制备所述带增强相梯度层的装甲板的方法的步骤为：

⑴将10g石墨烯加入到1000ml酒精溶液中，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵称取1000g碳化硼粉末，将碳化硼粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与碳化硼的混合物；

⑸将石墨烯与碳化硼的混合物与铝合金粉末按不同梯度层的配比称取，在混料机中进行混合，得到制备不同梯度层的混合粉体；

⑹先在包套中装入作为5083铝合金粉末层，然后再将不同梯度层的混合粉体依次按基体材料的外表面向上的梯度层顺序装入包套，包套尺寸为Ф70mm×80mm，铝合金粉末层和梯度层的混合粉体的高度均为10mm，为了使装入的混合粉体表面平整，装粉工作在小型振动台上进行，松装量不低于1.6g/cm3；

⑺全部粉体依次加入包套后，对包套进行抽真空处理，抽真空的同时进行加热，加热温度为480℃，当真空度达到10^-2Pa以下时对包套进行密封，除去石墨烯/金属复合粉末中的蒸汽、夹杂气体，避免铝合金颗粒表面形成氧化膜；

⑻包套除气后在振动台上进行10min的相当于手动操作力量的震动，利用石墨烯与碳化硼混合物和5083铝合金粉体密度的差异，在震动的作用下使不同梯度层的界面弱化，使整个包套内石墨烯与陶瓷的混合物含量呈连续的梯度分布；

⑼随后对包套进行热等静压获得密实的石墨烯/陶瓷增强铝合金复合材料，热等静压温度为480℃，压力为110MPa，保温时间为1.5h；

⑽最后对包套进行热挤压，热挤压温度为450℃，压力为10MPa，车加工去除包套，最终得到了带增强相梯度层的装甲板。

实施例3

制备带五层增强相梯度层的装甲板，装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金，增强相为石墨烯与碳化硼和碳化硅的混合物，石墨烯在混合物中的重量百分比为1％，该装甲板五层增强相梯度层的成分及重量百分比为：

从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物35％～40％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物70％，余量为铝合金，第五梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

制备所述带增强相梯度层的装甲板的方法的步骤为：

⑴将10g石墨烯加入到1000ml酒精溶液中，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵称取500g碳化硅粉末和500g碳化硼粉末，将碳化硅粉末和碳化硼粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与陶瓷的混合物；

⑸将石墨烯与陶瓷的混合物与铝合金粉末按不同梯度层的配比称取，在混料机中进行混合，得到制备不同梯度层的混合粉体；

⑹先在包套中装入作为5083铝合金粉末层，然后再将不同梯度层的混合粉体依次按基体材料的外表面向上的梯度层顺序装入包套，包套尺寸为Ф70mm×80mm，5083铝合金粉末层和梯度层的混合粉体的高度均为10mm，为了使装入的混合粉体表面平整，装粉工作在小型振动台上进行，松装量不低于1.6g/cm3；

⑺全部粉体依次加入包套后，对包套进行抽真空处理，抽真空的同时进行加热，加热温度为480℃，当真空度达到10^-2Pa以下时对包套进行密封，除去石墨烯/金属复合粉末中的蒸汽、夹杂气体，避免铝合金颗粒表面形成氧化膜；

⑻包套除气后在振动台上进行10min的相当于手动操作力量的震动，利用石墨烯与碳化硅混合物和铝合金粉体密度的差异，在震动的作用下使不同梯度层的界面弱化，使整个包套内石墨烯与陶瓷的混合物含量呈连续的梯度分布；

⑼随后对包套进行热等静压获得密实的石墨烯/陶瓷增强铝合金复合材料，热等静压温度为480℃，压力为120MPa，保温时间为2h；

⑽最后对包套进行热挤压，热挤压温度为480℃，压力为10MPa，车加工去除包套，最终得到了带增强相梯度层的装甲板。

Claims (4)

1.一种带增强相梯度层的装甲板，其特征在于：该装甲板的基体材料为强度超过150MPa的铝合金，从基体材料的外表面向上制备3～5层的增强相梯度层，增强相梯度层是由石墨烯和陶瓷的混合物与基体材料的铝合金组成，各梯度层中成分的重量百分比采用如下之一：

a当制备3层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

b当制备4层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物40％～45％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物60％～65％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

c当制备5层增强相梯度层时，从基体材料的外表面向上按顺序，第一梯度层

石墨烯和陶瓷的混合物20％～25％，余量为铝合金，第二梯度层石墨烯和陶瓷的混合物35％～40％，余量为铝合金，第三梯度层石墨烯和陶瓷的混合物50％～55％，余量为铝合金，第四梯度层石墨烯和陶瓷的混合物70％，余量为铝合金，第五梯度层石墨烯和陶瓷的混合物80％～85％，余量为铝合金；

石墨烯和陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～10％。

2.根据权利要求1所述的带增强相梯度层的装甲板，其特征在于：装甲板的基体材料是牌号为5083铝合金。

3.根据权利要求1所述的带增强相梯度层的装甲板，其特征在于：石墨烯与陶瓷混合物中的陶瓷为碳化硅、碳化硼中的一种或两种的混合物。

4.制备权利要求1所述带增强相梯度层的装甲板的方法，其特征在于：该方法的步骤为：

⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；

⑵按石墨烯与陶瓷的重量百分关系称取陶瓷粉末，将陶瓷粉末添加到石墨烯均匀溶液中；

⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；

⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与陶瓷的混合物；

⑸将石墨烯与陶瓷的混合物与铝合金粉末按不同梯度层的配比称取，在混料机中进行混合，得到制备不同梯度层的混合粉体；

⑹先在包套中装入作为基体材料的铝合金粉末层，然后再将不同梯度层的混合粉体依次按基体材料的外表面向上的梯度层顺序装入包套，铝合金粉末层和梯度层的混合粉体的高度均为10mm～15mm，为了使装入的混合粉体表面平整，装粉工作在小型振动台上进行；

⑺全部粉体依次加入包套后，对包套进行抽真空处理，抽真空的同时进行加热，加热温度为400～500℃，当真空度达到10^-2Pa以下时对包套进行密封，除去石墨烯/金属复合粉末中的蒸汽、夹杂气体，避免铝合金颗粒表面形成氧化膜；

⑻包套除气后在振动台上进行5min～10min的相当于手动操作力量的震动，利用石墨烯与陶瓷的混合物和铝合金粉体密度的差异，在震动的作用下使不同梯度层的界面弱化，使整个包套内石墨烯与陶瓷的混合物含量呈连续的梯度分布；

⑼随后对包套进行热等静压获得密实的石墨烯/陶瓷增强铝合金复合材料，热等静压温度为450～500℃，压力为100～120MPa，保温时间为0.5～2h；

⑽最后对包套进行热挤压，热挤压温度为400～500℃，压力为5～10MPa，车加工去除包套，最终得到了带增强相梯度层的装甲板。