[发明专利]一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法

说明书

一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法，本发明涉及一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法。本发明是要解决传统铝基复合材料中陶瓷体积分数低，抗弹性能差，难以偏转弹体的问题。材料由密排球体、密排柱体、含铝材料和陶瓷粉体填充物组成。方法：一、柱体密排于模具中；二、球体密排于柱体上；三、填充物粉体填充柱体、球体间隙；四、冷压预热制备预制体；五、熔融铝液；六、将熔炼的铝液压入预制体中，保压，脱模得多尺度多形状陶瓷增强铝基复合材料。陶瓷含量达70～95vol.％，具有优异的抗弹性能。本发明用于装甲材料领域。

技术领域

本发明涉及一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，反装甲武器威力的日益增强，对装甲防护层的要求也越来越高。目前现役的装甲材料主要包括金属装甲以及陶瓷复合装甲材料等。金属材料由于密度高，抗侵彻性能差，难以实现在较低面密度下对弹体起到有效防护。陶瓷复合装甲材料中由于陶瓷材料的脆性严重，往往难以具备优异的抗多发弹的能力。有必要研制一种低密度，高抗侵彻性能和良好抗多发弹性能的装甲材料形式。

铝基复合材料可以根据需要设计相应的体积分数以实现不同的强度和塑性匹配，并且铝基体的存在使得材料相比于纯陶瓷材料具有更好的塑性。目前金属基复合材料在抗弹结构中的应用还处在实验室阶段，传统的金属基复合材料相比于陶瓷材料并没有表现出特别优秀的抗侵彻性能。铝基复合材料可以通过以下方式来提高其抗弹性能(1)通过多尺度陶瓷相的级配提高金属基复合材料的陶瓷含量(目前铝基复合材料的陶瓷含量往往小于50vol.％)。有研究表示，仅有陶瓷含量大于80vol.％时，金属基复合材料的抗弹性能才能与相应的陶瓷材料抗弹性能相当；(2)引入多形状陶瓷增强相，例如球体或柱体增强体，由于形状效应，导致弹体偏转，以实现提高抗侵彻性能；(3)梯度结构设计。金属基复合材料的一个优势即在于其强度和塑性会随着体积分数的不同而发生改变，从面板到背板的梯度结构设计，实现强度硬度和塑性梯度变化，会大大提高材料的抗多发弹体能力。

发明内容

本发明是要解决传统铝基复合材料中陶瓷体积分数低，抗弹性能差，难以偏转弹体的问题。而提供一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法。

一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料由密排球体、密排柱体、含铝材料和陶瓷粉体填充物组成，其中密排球体作为迎弹面，密排柱体作为密排球体的支撑物；所述含铝材料为铝或铝合金；所述陶瓷粉体填充物的堆积密度为45～60％；所述多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料中陶瓷相的总体积分数为70～95％。

上述一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：

一、将密排球体和密排柱体分别采用酒精超声清洗，吹干待用；将预制粉体铺陈于钢模具中在钢模具的底部形成预制粉体层，根据多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料的梯度结构需求再多铺陈多层预制粉体层；

二、以钢模具的中心为起点向外将密排柱体均匀布置在钢模具中，柱体露出高度保持一致；

三、将密排球体在密排柱体的间隙处紧密排列，得到待填充模具；

四、将陶瓷粉体填充物放入待填充模具中，并通过振动台振实，得到待冷压坯料；

五、将待冷压坯料在压力为5～150MPa的条件下冷压成坯，然后连同模具放入电炉中，在温度为500～700℃的条件下保温2～6h，得到材料预制体；

六、将含铝材料在温度为700～900℃条件下熔炼2～6h，得到含铝熔液；所述含铝材料为铝或铝合金；

七、采用压力浸渗将含铝熔液浇注并加压浸渗到材料预制体的间隙中，在压力为30～250MPa的条件下保压5～30min后直接脱模，得到多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料；多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料中陶瓷的体积分数为70～95％。