CN105349817A

CN105349817A - 一种复合材料的制备工艺

Info

Publication number: CN105349817A
Application number: CN201510715709.4A
Authority: CN
Inventors: 沈秋
Original assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-02-24

Abstract

本发明公开了一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳化硼—铝基复合材料的制备工艺，通过对碳化硼基体的预处理后，采用无压浸渗工艺制备碳化硼陶瓷，包括：造粒—酸洗—水洗—模压成型—烘干—抽真空—浸渗—保温—冷却。造粒粒径为6—9μm，酸洗为硝酸清洗，浓度为25％—35％，浸渗基体为铝合金或镁合金，真空度为10^—3—10^—4MPa，以高纯度氩气为保护气，温度为800—1200度，控制精度为±1度，加压压力值为0.5—0.9MPa，保温时间为40—50min，冷却方式为随炉冷却。该发明用于制备碳化硼—铝基复合材料，该工艺工序简单，容易操作，并且加工的碳化硼—铝基复合材料质量好，性能稳定。

Description

一种复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备工艺。

背景技术

现代装甲材料特别是陶瓷装甲材料开始被人们所关注大概出现于二战末期，而可以被称作是陶瓷材料成功应用于装甲中的“先驱者"的事件发生在1976年，那就是叫做“乔巴姆”的复合装甲首次在英国登场。它的问世可谓是使得陶瓷材料在防弹抗弹领域的应用开启了先河，并且对推动陶瓷装甲材料的发展起到了积极的作用。经过几十年的发展，目前，陶瓷复合装甲已大量应用于各国的武器装备之中。从20世纪的60年代到70年代之间，MarkWilkins等人在美国陆军实验室里对陶瓷.金属(或树脂基复合材料)轻质复合装甲做了大量的深入研究，从而使得陶瓷复合装甲得到快速发展，随着不断的优良研究成果的应用，现已逐步确定出了一些非常具备装甲应用价值的陶瓷：如A1203、SiC、B4C、A1N、TiB2等。陶瓷之所以能够作为装甲材料来应用，是因为它具有以下多种优点：首先是硬度和抗压强度极高，能够达到抵御高速穿甲弹侵蚀的效果；再者是密度小，大约是均质装甲钢的1/4---1/2，这对减轻装甲材料的质量有利；再次是好的耐热性能够保证高温下的形状尺寸很难改变，同时还能够抵御高温射流的侵蚀。尽管如此，陶瓷材料本身也存在很多缺点，比如低的断裂强度、低塑性、易产生脆性断裂以及成型尺寸不够大等。这些不足导致了陶瓷材料至今仍不能被当做均质装甲加以单独应用，它通常是以与其它材料复合的形式，如与铝合金、装甲钢、纤维增强树脂基复合材料等进行复合，以制备复合装甲材料。这样便有了以下的综合优势：陶瓷的高硬度会使弹丸受挫、毁坏，而具有良好韧性的金属或纤维增强材料能够充分吸收弹丸和陶瓷碎片的剩余能量。

B4C/A1金属陶瓷的密度低，强度高，很适合作为轻型防护材料使用，为此，美国、瑞典等国家开展了大量研究，生产出的产品用于轻型坦克、直升飞机、防弹衣等。如美国某集团开发出防弹装甲板。这种将陶瓷浸没在液态金属里生产的近净尺寸金属复合材料，具有结实、坚硬、质量轻的特点，密度仅为钢材的1/3，却比钢坚硬，强度相当于铸造铝合金，断裂韧性相当于铸铁，热膨胀率比钢低30％，还具有非常高的耐磨性。

20世纪80年代初期，美国开始“轻装甲研究计划"(Light.weightArmorProgram)，制造出B4C/A1梯度复合材料，该材料可以承受枪弹多次打击，1998年批量装备部队。英国、德国、瑞典、日本、法国等国家已相继完成了轻装甲的换代研究。***战争中，美、英军的作战、保障、勤务和支援类装备基本上实现了轻装甲防护，加之人员配备了防弹背心，有效地降低了士兵的伤亡。据2002年的资料，美军厚度约为14mm的B4C/A1轻装甲可防住7.62mm的穿甲弹(APM2)。美军使用的是一种层复合防护材料，其中B4C板和(6061.T6)A1的厚度分别为7.2ram和6.35mm，不过，该材料尚不能作为结构材料使用。轻装甲防护材料的总体发展趋势为兼有结构和防护功能。在解决或提高装甲防护能力的同时，为了保证装备的机动性能，还不能过多地增加装备重量，各军兵种都面临这类难题，显然，发展轻装甲防护是解决这一难题的主要途径之一。

B4C/AI金属陶瓷材料是一种非常有希望的轻装甲防护材料，它具备功能结构一体化的特点，可以在提高防护能力的同时，不过多地增加现役装备的重量；对于新装备，则可以在提高防护能力的同时大大地减少设计重量。可用于伞降装备、两栖装甲装备、骨干机动后勤装备，还可应用于武装直升机、固定翼及其它飞行器、机动指挥装备、主站坦克的复合装甲、防弹衣等。在民用领域还可以用作气动滑阀、热挤压摸、轴颈轴承、连续铸模等。

浙江立泰公司和钢铁研究总院等单位克服了碳化硼难以烧结的技术难题，通过不同的工艺制备出坚硬的B4C整体骨架，并且大大缩短了坯体制备的工时，降低了生产成本。研制的B4C/A1金属陶瓷的性能(与美国同类材料相当。用国内原材料及设备制作出靶试样品，经过靶试，显示出良好的效果。

B4C陶瓷的显著特点是高硬度、高熔点(约2450℃)、低密度，其密度仅是钢的1/3；耐酸碱性好，热膨胀系数小，但抗热冲击性能差。B4C的研磨效率可达到金刚石的60％′--70％，可比SiC提高50％，是刚玉研磨能力的12倍。热压B4C的抗弯强度为400MPa一-600MPa，断裂韧性为6.0MPa·m忱。B4C还是一种高温P型半导体，具有较大的热电动势，随B4C中含碳量的减少，可从P型半导体转变成n型半导体。B4C具有较高的中子吸收截面，能有效地吸收热中子。B4C在亚激光激发下会产生一个在1.56eV～1.58eV之间的光致发光谱，最强锋在1.563eV处，次强峰在1.572eV处。

B4C所具有的高强度，使其在制备研磨剂、切削刀具、耐磨部件、喷嘴、轴承和防弹材料方面获得广泛应用；其低密度和高的高温强度，使它成为一种有前途的航天航空用材料。B4C具有很高的热中子吸收能力，既可作为核反应堆的控制棒，又可作为核反应屏蔽材料。利用B4C的高温热电性能，可以制造热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船用热电转化装置等，日本已开发出工作温度达2200℃的B4C热电偶。B4C优越的抗化学侵蚀能力，可用于制作化学器皿、熔融金属坩埚等。

B4C材料具有一系列优异性能如能够耐高温、抗腐蚀、耐磨损等，作为工程应用材料逐渐受到研究人员的重视，但是因为它有具有较低的断裂韧性，使得它的应用受到了很大的限制。因此B4C陶瓷的韧化成为研究者们普遍关心的问题，以下是几种目前用来提高B4C陶瓷的韧性的方法。

(1)晶须或纤维增韧B4C材料

晶须或纤维增韧是提高B4C材料韧性的有效途径之一。B4C陶瓷之间界面的物理性质和化学性质决定了增韧的效果。一般的，B4C与晶须或纤维之间应该避免化学反应，否则会导致晶须损伤，从而影响复合材料的性质f201。通常要求两种材料之间的热膨胀系数和弹性模量基本相匹配。由于SiC晶须和B4C热膨胀系数与弹性模量相互匹配，因此可以通过SiC晶须增韧B4C的方法来改善B4C的断裂韧性，目前国内尚未见相关报道。

(2)显微结构增韧B4C材料

陶瓷粉料和晶粒的超细化与纳米化是陶瓷材料达到增韧的根本途径之一。通常，陶瓷材料在制备过程中难以避免气孔和各种缺陷(如裂纹等)的产生，这是导致陶瓷材料断裂韧性值偏低的根本原因。通过陶瓷粉料的超细化和纳米化，可以有效减少陶瓷烧结体中的气孔和裂纹，也能够改善尺寸不均匀性。张金升提出，通过改善陶瓷的显微结构能够提高其相对密度，而陶瓷较优显微组织的获得需要通过改变晶形，晶粒尺寸和晶界状况等方法才可以实现，最终能够达到陶瓷材料更好的断裂韧性，可是目前相关报道不多。

机械合金化法(MechanicalAlloying，简称MA)是从粉末冶金法衍伸而来的一种制备复合材料的新技术。其工艺特点是将不同原料的粉末置于高能球磨机中进行球磨，使得粉末原子间相互扩散或发生固态反应而形成合金粉末。粉末达到细化，使得反应接触面积增加，扩散距离缩短，达到固态反应速率提高的目的。机械合金化法也有其限制因素，比如粉末的种类、形态和性质，球磨时功率的大小、球料比、球磨温度和球磨时间等。在实际应用过程中，各种因素的相互作用使得机械合金化过程相当复杂，最后制成的合金粉末还要通过热压、烧结等步骤才能最终制成成品零部件瞄引。

(3)喷射沉积法

喷射沉积法集合了粉末冶金和快速凝固技术两种方法的综合优势，解决了增强颗粒在金属熔体中的偏聚、凝固偏析等问题，同时也克服了增强体与金属基体间的界面反应，能够直接由液态金属制得复合材料，并通过快速凝固即可成形。具体工艺是：首先将雾化室抽真空，充入惰性气体如氩气或氮气，然后在坩埚底部打有小孔，金属液从中流下，通过雾化器而被雾化为细小液滴，此刻加入增强颗粒，使得雾化液滴与增强颗粒同时喷射到基体上，发生沉积，从而制备出金属基复合材料。此法涉及到的制造***主要有金属液的加热炉和保温炉、雾化器、雾化室、喷粉装置、沉积基底等。由于制造成本低于粉末冶金法，制备参数也得到了优化，喷射沉积技术有望成为生产复合材料的主要技术。

(4)铸造法

铸造法是属于液相法制备复合材料工艺的一种，传统的铸造技术随着科技的快速发展和需求的日益提高，已经不能满足现代生产的需要，但是因为其制造工艺和设备相对简单，成本也相当低廉等优势，因此得到重视，并且很多新的铸造制备技术已经被开发出来，比如挤压铸造、离心铸造和搅拌铸造等。制备非连续相增强铝基复合材料主要采用挤压铸造技术，它对熔融金属与增强体的润湿性没有多大要求，增强体与基体间的反应水平较低，铸造缺陷也少，顺利情况下可以直接得到最终形状的零部件。挤压铸造过程中的关键在于预制件和合金液浇注温度、冷却速度和施加压力大小的控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复合材料的制备工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳化硼--铝基复合材料的制备工艺，通过对碳化硼基体的预处理后，采用无压浸渗工艺制备碳化硼陶瓷，包括：造粒——酸洗——水洗——模压成型——烘干——抽真空——浸渗——保温——冷却。造粒粒径为6——9μm，酸洗为硝酸清洗，浓度为25％——35％，浸渗基体为铝合金或镁合金，真空度为10^-3-10^-4MPa，以高纯度氩气为保护气，温度为800——1200度，控制精度为±1度，加压压力值为0.5——0.9MPa，保温时间为40——50min，冷却方式为随炉冷却。

具体实施方式

实施例1

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳化硼--铝基复合材料的制备工艺，通过对碳化硼基体的预处理后，采用无压浸渗工艺制备碳化硼陶瓷，包括：造粒——酸洗——水洗——模压成型——烘干——抽真空——浸渗——保温——冷却。造粒粒径为6μm，酸洗为硝酸清洗，浓度为25％，浸渗基体为铝合金，真空度为10^-3-10^-4MPa，以高纯度氩气为保护气，温度为1000度，升温时间为10min，控制精度为±1度，加压压力值为0.5MPa，保温时间为40min，冷却方式为随炉冷却。

实施例2

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳化硼--铝基复合材料的制备工艺，通过对碳化硼基体的预处理后，采用无压浸渗工艺制备碳化硼陶瓷，包括：造粒——酸洗——水洗——模压成型——烘干——抽真空——浸渗——保温——冷却。造粒粒径为3.5μm，酸洗为盐酸清洗，浓度为30％，浸渗基体为镁合金，真空度为10^-3-10^-4MPa，以高纯度氩气为保护气，温度为1200度，升温时间为10min，控制精度为±1度，加压压力值为0.8MPa，保温时间为40min，冷却方式为随炉冷却。

Claims

1.一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳化硼--铝基复合材料的制备工艺，其特征在于通过对碳化硼基体的预处理后，采用无压浸渗工艺制备碳化硼陶瓷，包括：造粒——酸洗——水洗——模压成型——烘干——抽真空——浸渗——保温——冷却。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的造粒粒径为6——9μm，酸洗为硝酸清洗，浓度为25％——35％，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的浸渗基体为铝合金或镁合金，真空度为10^-3-10^-4MPa，以高纯度氩气为保护气，温度为800——1200度，控制精度为±1度，加压压力值为0.5——0.9MPa，保温时间为40——50min，冷却方式为随炉冷却。