CN113959264B - 一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲及其制备方法，所述复合装甲包含2‑4层陶瓷球，陶瓷球之间存在间隙且各层之间陶瓷球直径大小呈梯度配置，陶瓷球面内及各层之间呈错列或并列分布；下一层陶瓷球位于上一层陶瓷球之间的间隙区域，填补上一层陶瓷球之间的薄弱区域。所述复合装甲的制备方法包括：预制金属骨架的设计与开孔，陶瓷球预处理，预制件装配，高温压力浸渗和打磨成型，即得所述非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲。本发明提供的一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲的抗多发打击性能和整体性较优，且不存在明显的薄弱区域，在装甲防护领域具有广阔的应用前景。

Description

一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷/金属复合装甲及其制备方法，具体涉及采用预制陶瓷球装配骨架和压力浸渗法相结合的方法制备一种抗多发打击的陶瓷球增强铝基复合装甲，属于装甲技术领域。
背景技术
陶瓷/背板复合装甲是目前结构最简单、研究最多的复合结构装甲。它由陶瓷面板与金属或者复合材料背板黏结而成。这种结构能够充分发挥两种材料各自的优点，即利用陶瓷材料的高硬度使弹丸破碎、磨蚀，背板起支撑和约束陶瓷块的作用，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 110895122 A公开了一种金属－陶瓷梯度复合装甲及其制备方法，该复合装甲由金属浇铸陶瓷球而成，从迎弹面至背弹面，陶瓷球密实排列成2-4层，相邻两排的陶瓷球的直径差为1mm，陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3。但该发明中的陶瓷球也采用密堆结构，单位体积内陶瓷含量较大，硬度有余而韧性不足，导致单发损伤区域大，不利于抗多发打击。
综上所述，现有的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，硬度有余而韧性不足，复合材料抗侵彻整体性较弱，不利于抗多发打击。因此，需要对陶瓷球增强金属基复合装甲的设计及制备工艺进行改进和优化。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲，该复合装甲具有抗多发打击能力强、结构整体性较优，且工艺结构简单、合理。
本发明所采用的技术方案是：一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲，所述复合装甲为铝基体包裹陶瓷球；所述陶瓷球按非密堆式的排布方式装配于预制金属骨架上，相邻陶瓷球之间不接触，采用压力浸渗法使基体金属液渗透到陶瓷球和预制金属骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。
进一步的，所述复合装甲中陶瓷球层数为2～4层，每一层内的陶瓷球之间呈并列排布或错列排布，且下一层的陶瓷球位于上一层陶瓷球之间的间隙区域，用于填补上一层陶瓷球之间的薄弱区域。
进一步的，所述复合装甲中每一层内相邻的陶瓷球和相邻两层的陶瓷球之间均存在间隙，相邻陶瓷球在水平方向和垂直方向的间隔均为1～4mm。
进一步的，迎弹面第1层陶瓷球直径为弹体直径的1.0～1.5倍，第2至4层陶瓷球直径均为弹体直径的0.4～0.8倍。
进一步的，迎弹面第1层陶瓷球顶面的金属表层厚度为1～2mm；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。
进一步的，所述预制骨架和基体金属的材质为铝或铝合金；所述陶瓷球的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的至少一种。
本发明还提供了上述的一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、预制骨架设计与开孔；预制金属骨架的作用是固定陶瓷球位置，使其固定在设计位置；开孔金属板数量为陶瓷球层数+1层；用机床在金属板材上刻出约1/3陶瓷球直径圆孔，圆孔之间并列或错列布置；
步骤二、将陶瓷球进行预处理，去除陶瓷球表面杂质；
步骤三、将预处理后陶瓷球放入铝合金板上的圆孔中，陶瓷球按孔间隙排布于铝合金板中，按照从下至上的方式，将每一层铝合金板铺满，固定陶瓷球于预制体中，制成待浸渗复合装甲预制件；
步骤四、将待浸渗复合装甲预制件放入不锈钢模具中，用石墨板将待浸渗复合装甲预制件隔开，外面包套并焊接，每个石墨隔板上留有孔隙通道进行基体金属熔液浸渗；
步骤五、预制件浸渗后，常温条件下降温，温度降至安全范围后，去除模具；将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，即得所述非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲。
进一步的，步骤一中，将陶瓷球进行预处理具体为：先将陶瓷球置于丙酮或酒精中浸泡30～45min，晾干后用超声波清洗，再将陶瓷球放入140～160℃的烘箱中干燥2.0～4.0h。
进一步的，步骤三中，所述待浸渗复合装甲预制件的预热温度为550～620℃，预热时间4.0～4.5h。
进一步的，所述基体金属熔液的温度控制在600～750℃，浸渗炉内压力为5.5～7.0MPa，加压试件为0.5～1.0h。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲，陶瓷球之间存在间隙且间隙内由金属材料(预制金属骨架和基体金属)包裹，金属材料提供的三维约束改善了陶瓷的强度和韧性。
2、本发明设计陶瓷球增强铝合金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)，本发明设计的复合装甲抗多发打击性能和整体性较优。
3、本发明设计的陶瓷球直径大小从迎弹面到背弹面呈梯度配置，且陶瓷球面内及各层之间呈错列或并列分布；下一层陶瓷球位于上一层陶瓷球之间的间隙区域，填补上一层陶瓷球之间的薄弱区域，经优化设计后，复合装甲不存在薄弱区域。
4、采用本发明方法制得的非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲具有“偏航效应”，陶瓷球(硬质相)在金属材料(软质相)中宏观分布不均匀，使弹体在侵彻过程中容易受不对称阻力而偏航；而且，陶瓷球的形状效应，进一步增强了对弹体偏航的诱导，提升其抗弹性能。
5、本发明方法运用“骨架开孔”和“压力浸渗法”，将预制体(陶瓷球和开槽铝板)抽真空后灌入金属液，进行加压高温处理，一次成型，整体性好。
此外，本发明可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。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的复合装甲结构剖面图，其中，a—陶瓷球，b—金属骨架，c—基体金属液，d—背弹面底板，e—迎弹面金属层；
图2(a)是本发明优选实施例的陶瓷球并列布置平面图，图2(b)是本发明优选实施例的陶瓷球错列布置平面图；其中，A—第一层陶瓷球，B—第二层陶瓷球。
图3是本发明采用压力浸渗制备陶瓷球增强铝基复合装甲制作工艺流程图；
图4是本发明优选实施例的待浸渗试件与模具的示意图，其中，1—预制件，2—连通通道，3—固定扣件，4—不锈钢模具，5—石墨隔板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明基于“贝壳仿生”软硬交替的增韧机制、陶瓷材料的形状效应和约束效应等，设计了一种非接触式陶瓷球增强铝基复合装甲，采用半预制陶瓷球装配骨架和压力浸渗工艺相结合的方法制备了陶瓷球增强铝基复合装甲，实现对陶瓷球的三维约束，以提高复合装甲的抗多发打击能力和结构整体性。
如图1所示，所述复合装甲为铝基体包裹陶瓷球；所述陶瓷球a按非密堆式的排布方式装配于预制的金属骨架b上，相邻陶瓷球之间不接触，采用压力浸渗法使基体金属液c渗透到陶瓷球和预制金属骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲。所述复合装甲中陶瓷球层数为2～4层，陶瓷球之间存在间隙且各层之间陶瓷球直径大小呈梯度配置或者大小相等，陶瓷球面内及各层之间呈并列排布或错列排布，且下一层的陶瓷球位于上一层陶瓷球之间的间隙区域，用于填补上一层陶瓷球之间的薄弱区域。图2(a)是本发明优选实施例的陶瓷球并列布置平面图，图2(b)是本发明优选实施例的陶瓷球错列布置平面图；其中，A为第一层陶瓷球，B为第二层陶瓷球。
所述复合装甲中每一层内相邻的陶瓷球和相邻两层的陶瓷球之间均存在间隙，相邻陶瓷球在水平方向和垂直方向的间隔均为1～4mm。迎弹面第1层陶瓷球直径为弹体直径的1.0～1.5倍，第2至4层陶瓷球直径均为弹体直径的0.4～0.8倍。迎弹面第1层陶瓷球顶面的迎弹面金属层e厚度为1～2mm；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d由压力浸渗法基体金属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。
所述预制骨架和基体金属的材质为铝或铝合金；所述陶瓷球的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的至少一种。
如图3所示，本发明还提供了上述的一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，预制骨架设计与开孔。预制金属骨架的作用是固定陶瓷球在设计位置。开孔金属板数量为陶瓷球层数+1层；用机床在金属板材上刻出约1/3陶瓷球直径圆孔，圆孔之间并列或错列布置。
步骤二，陶瓷球预处理。将陶瓷球置于丙酮或酒精中浸泡30～45min，晾干后用超声波清洗，去除陶瓷球表面杂质，再将陶瓷球放入烘箱烘干，设置140～160℃℃恒温干燥2.0～4.0h。
步骤三，预制件装配。将预处理后陶瓷球放入金属板上的圆孔中，陶瓷球按孔间隙排布于铝合金板中，按照从下至上的方式，将每一层铝合金板铺满，固定陶瓷球于预制金属骨架中，制成待浸渗复合装甲预制件。
步骤四，高温压力浸渗。如图4所示，将待浸渗的预制件1放入不锈钢模具4中，并用石墨隔板5将各预制件1分隔，外面通过固定扣件3包套并焊接，每个石墨隔板5上留有2mm×5mm浸渗连通通道2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。
步骤五，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。
以下结合具体实施例对本发明进行解释说明。
实施例一
采用直径为16.3mm和10.7mm三氧化二铝双层陶瓷球并列布置，预制骨架采用6061铝合金板，基体金属采用6063铝合金板；各层之间间隙为2mm，陶瓷球铝合金表层厚度为2mm；另在底面粘贴12mm6061铝合金板。具体制备方法如下：
(1)预制骨架设计与开孔
预制骨架规格200mm×200mm，厚度6mm和8mm，上下底板使用6mm厚度，中间铝板使用8mm厚度。用精密机床在铝板上刻出约1/3直径和间隔的圆孔，圆孔错列布置，上下铝板尺寸配合。
(2)陶瓷球预处理
陶瓷球采用99％氧化铝，先将陶瓷球置于丙酮或酒精中浸泡30min，晾干后用超声波清洗，去除陶瓷球表面杂质，再将陶瓷球放入烘箱烘干，设置150℃恒温干燥2h。
(3)预制件装配
开孔后的6061铝合金板，区分并列和错列布置，上下铝板的陶瓷球孔位匹配。将预处理后陶瓷球放入铝板圆孔中，陶瓷球按孔间隙排布于铝板中，球装填后，用平直板面压于陶瓷球上，剔除填充过程中不合格的陶瓷球，按照从下至上的方式，将每一层铝板铺满，固定陶瓷球于预制体中，最后用透明胶带进行简单固定，制成待浸渗复合装甲预制件。模具采用不锈钢材料，部件分为包套、固定条和隔板。待浸渗复合装甲放入不锈钢模具中，试件用石墨板隔开，外面包套并焊接，每个石墨隔板上留有孔隙通道进行铝液浸渗。隔板尺寸为205mm×205mm，隔板四周留有固定条孔隙，用长条片不锈钢进行固定，四边长上留有2mm×5mm浸渗通道。
(4)高温压力浸渗
复合装甲浸渗工艺的基本思路是根据预制件压力浸渗原理，将6061铝合金板和Al2O3制成的预制件用石墨模具组装，利用石墨模具中留有连通孔隙，将高温6063铝合金液注入，实现压力浸渗。过程中调控浸渗炉内压力、温度和时间等条件，进而获得高强度和保形性良好的复合装甲。下浸渗炉通过加热元件，将6063铝合金块在坩埚中融成铝液，通过推杆和升液管将铝液注入上浸渗炉。在上浸渗炉，铝液从石墨模具的连接孔隙中流入预制件空隙，加热元件同时工作，保持设定的温度，通过保温增压制成复合装甲。6063铝合金液温度控制在750℃，能顺利进入预制件流通，预制件温度控制在600℃，即保证6061铝合金骨架不发生熔融，同时铝液与预制件浸渗过程中，不因温差过大产生明显残余应力。具体的浸渗工艺参数如表1所示。
表1浸渗工艺参数
Figure BDA0003315516280000071
(5)打磨成型
预制件浸渗后，常温条件下降温，温度降至安全范围后，去除模具。将复合装甲周边多余铝合金进行打磨。
按上述工艺制作的复合装甲厚度为31mm，面密度96.8kg/m2；然后再用环氧树脂在底面粘贴12mm 6061铝合金板，复合装甲的总面密度为124.5kg/m2。抗54式12.7mm穿燃弹垂直入射，射距100m，距枪口25m处弹速平均值v25。共进行了2发侵彻试验，第1发和第2发v25分别为812.6m/s和814.9m/s；第1发和第2发铝合金底板均未击穿，呈凸起状，煤油检查均未发现渗透，分别为4级和3级损伤；复合装甲正面翻唇，未出现分层现象；弹着点的陶瓷球在被侵彻过程中与弹丸充分碰撞后碎裂耗能，在弹丸进一步侵彻时，弹着点附近陶瓷和周边陶瓷球对弹丸进行磨蚀耗能，形成陶瓷球粉末，陶瓷抗弹性能得以充分发挥。
实施例二
采用直径为13.0mm和10.7mm三层(1层13.0mm+2层10.7mm)三氧化二铝陶瓷球并列布置，预制骨架采用6061铝合金板，基体金属采用6063铝合金板；各层之间间隙为1mm，陶瓷球铝合金表层厚度为2mm；底层8mm基体金属层通过预留间隙由高温压力浸渗基体金属生成。
按类似实施案例一的工艺，制作的复合装甲厚度和面密度分别为34.3mm和121.8kg/m2。抗54式12.7mm穿燃弹垂直入射，射距100m，距枪口25m处弹速平均值v25。共进行了2发侵彻试验，第1发和第2发v25分别为821.6m/s和817.6m/s；底层基体金属层均为3级损伤；复合装甲正面翻唇，未出现分层现象；正面损伤状态呈圆孔状，损伤状态较平整，背面鼓包；陶瓷球部分碎裂或断裂，弹道附近少量陶瓷球被挤出，挤出陶瓷球呈完整状。
实施例三
采用直径为15.8mm和6.8mm双层碳化硅陶瓷球错列布置，预制骨架采用6061铝合金板，基体金属采用6063铝合金板；各层之间间隙为1mm，陶瓷球铝合金表层厚度为1mm；另在底面粘贴24mm PE板。
按类似实施案例一的工艺，制作的复合装甲厚度为25.6mm，面密度69.1kg/m2；然后再用环氧树脂在底面粘贴24mm PE板，复合装甲的总面密度为99.3kg/m2。抗54式12.7mm穿燃弹垂直入射，射距100m，距枪口25m处弹速平均值v25。共进行了2发侵彻试验，第1发和第2发v25分别为812.6m/s和817.3m/s；第1发和第2发的PE底板鼓包，均为2级损伤；正面翻唇，正面损伤状态呈圆孔状，损伤状态较平整，背面穿孔，复合装甲未出现分层现象；陶瓷球部分碎裂或断裂，弹道附近少量陶瓷球被挤出，挤出陶瓷球呈完整状。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲的制备方法，其特征在于，所述非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲为铝基体包裹陶瓷球，且相邻陶瓷球之间不接触；所述陶瓷球按非密堆式的排布方式装配于预制金属骨架上，采用压力浸渗法使基体金属熔液渗透到陶瓷球和预制金属骨架之间的缝隙中从而形成整体的复合装甲；所述预制金属骨架和基体金属的材质均为铝或铝合金；
该制备方法包括以下步骤：
步骤一、预制金属骨架设计与开孔：预制金属骨架用于固定陶瓷球位置，使其固定在设计位置；预制金属骨架为开孔铝合金板，开孔铝合金板数量为陶瓷球层数+1层；用机床在铝合金板上刻出1/3陶瓷球直径圆孔，圆孔之间并列或错列布置；
步骤二、将陶瓷球进行预处理，去除陶瓷球表面杂质；
步骤三、将预处理后陶瓷球放入铝合金板上的圆孔中，陶瓷球按孔间隙排布于铝合金板中，按照从下至上的方式，将每一层铝合金板铺满，固定陶瓷球于预制体中，制成待浸渗复合装甲预制件；
步骤四、将待浸渗复合装甲预制件放入不锈钢模具中，用石墨板将待浸渗复合装甲预制件隔开，外面包套并焊接，每个石墨隔板上留有孔隙通道进行基体金属熔液浸渗；
步骤五、预制件浸渗后，常温条件下降温，温度降至安全范围后，去除模具；将各复合装甲周边多余铝合金进行打磨成型，即得所述非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲；
步骤二中，将陶瓷球进行预处理具体为：先将陶瓷球置于丙酮或酒精中浸泡30~45min，晾干后用超声波清洗，再将陶瓷球放入140~160℃的烘箱中干燥2.0~4.0 h；
步骤四中，所述待浸渗复合装甲预制件的预热温度为550~620℃，预热时间4.0~4.5h；
步骤五中，所述基体金属熔液的温度控制在600~750℃，浸渗炉内压力为5.5~7.0 MPa，加压试件为0.5~1.0h。
2.根据权利要求1所述的一种非密堆式陶瓷球增强铝基复合装甲的制备方法制得的复合装甲，其特征在于，所述复合装甲中陶瓷球层数为2~4层，每一层内的陶瓷球之间呈并列排布或错列排布，且下一层的陶瓷球位于上一层陶瓷球之间的间隙区域，用于填补上一层陶瓷球之间的薄弱区域。
3. 根据权利要求2所述的复合装甲，其特征在于，所述复合装甲中每一层内相邻的陶瓷球和相邻两层的陶瓷球之间均存在间隙，相邻陶瓷球在水平方向和垂直方向的间隔均为1~4 mm。
4.根据权利要求2所述的基复合装甲，其特征在于，迎弹面第1层陶瓷球直径为弹体直径的1.0~1.5倍，第2至4层陶瓷球直径均为弹体直径的0.4~0.8倍。
5. 根据权利要求2所述的复合装甲，其特征在于，迎弹面第1层陶瓷球顶面的金属表层厚度为1~2 mm；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金属或纤维复合材料板。
6.根据权利要求2-5任一所述的复合装甲，其特征在于，所述陶瓷球的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的至少一种。
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