一種輕質(zhì)裝甲防彈板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種輕質(zhì)裝甲防彈板及其制備方法，屬于輕質(zhì)裝甲防護(hù)材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁基復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度高，同時具有良好的高溫性能和耐磨性，且熱膨脹系數(shù)低。目前，鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要分為顆粒增強(qiáng)體和纖維增強(qiáng)體。纖維增強(qiáng)體不僅提高了鋁基體的強(qiáng)度，還使其塑性得到改善。碳納米管是一種重要的鋁基纖維增強(qiáng)體，但其生產(chǎn)成本高，且利用碳納米管進(jìn)一步增強(qiáng)鋁合金性能的潛力越來越小。
[0003]石墨稀是一種新型二維納米材料，其強(qiáng)度高達(dá)1.0lTPa，是結(jié)構(gòu)鋼的100倍，而密度卻是結(jié)構(gòu)鋼的1/5。與碳納米管相比，具有更大的比強(qiáng)度、比表面積和更低的生產(chǎn)成本，有望代替碳納米管成為未來復(fù)合材料中最理想的填料和增強(qiáng)體。因此，用石墨烯增強(qiáng)鋁合金是進(jìn)一步提高鋁基復(fù)合材料性能的一個重要突破口。
[0004]裝甲防護(hù)技術(shù)是武器裝備系統(tǒng)生存能力之中最重要的組成部分，任何一項(xiàng)現(xiàn)代武器裝備都離不開防護(hù)。優(yōu)良的裝甲防護(hù)系統(tǒng)能夠使戰(zhàn)機(jī)、坦克、裝甲車及其它結(jié)構(gòu)的主體及其中的人員安全得到更好的保護(hù)。目前，裝甲板存在的主要問題是裝甲板密度過重，增加了戰(zhàn)機(jī)、坦克、裝甲車的負(fù)擔(dān)，使其機(jī)動性得不到充分發(fā)揮。將石墨烯增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料用于裝甲板領(lǐng)域，有望進(jìn)一步降低裝甲板的密度，優(yōu)化輕質(zhì)裝甲板的性能。
[0005]壓力浸滲工藝起始于20世紀(jì)60年代Charles Norman等對預(yù)制體的氣體壓力浸滲的工藝研宄，隨后的時間里，各國的研宄者對浸滲工藝進(jìn)行了廣泛而深入層次的研宄。目前，我國已用壓力浸滲工藝制備得到了氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料、碳化硅增強(qiáng)鋁復(fù)合材料、氧化鋁一氧化硅增強(qiáng)鋁一硅復(fù)合材料及鈦合金復(fù)合材料等。氣壓浸滲是將骨架置于可排氣的模具內(nèi)，然后通過對密封模具內(nèi)的液態(tài)鋁施加氣體壓力，使鋁液浸滲到骨架中去，從而制備出復(fù)合材料的方法。該方法是制備復(fù)合材料的常用方法之一，其制備的復(fù)合材料致密度高，力學(xué)性能高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的狀況而設(shè)計提供了一種輕質(zhì)裝甲防彈板及其制備方法，該方法中的“三明治”結(jié)構(gòu)裝甲板的芯部板材采用壓力浸滲制備的碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材，兩側(cè)的面板和背板分別為5083和7A21高強(qiáng)度鋁合金，三者之間通過金屬膠粘接。這種高強(qiáng)度的輕質(zhì)裝甲板在航空、航天等領(lǐng)域均具有優(yōu)異的工程應(yīng)用前景。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明技術(shù)方案所述的輕質(zhì)裝甲防彈板為三層夾心結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三層夾心結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別是牌號為5083鋁合金和7A21鋁合金的板材，中間層為碳化硅和石墨稀混合增強(qiáng)的銷基復(fù)合材料板材，兩側(cè)板的厚度為1mm?20mm，中間層板的厚度為30mm?50mm，中間層板材的化學(xué)成分及重量百分比為:石墨烯與碳化硅混合物20%?60%，余量為鋁合金，該鋁合金基體的強(qiáng)度超過150MPa，石墨烯與碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比為0.3%?5%。
[0009]本發(fā)明提出的制備所述輕質(zhì)裝甲防彈板的方法的步驟為:
[0010]⑴將石墨烯與酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比為0.5%?5%，利用超聲波振蕩制備出單分散的石墨烯均勻溶液；
[0011]⑵按石墨烯與碳化硅的重量百分關(guān)系稱取碳化硅粉末，將碳化硅粉末添加到石墨烯均勻溶液中；
[0012]⑶將步驟⑵得到的混合溶液裝入到球磨罐中，進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨時間為20?40小時；
[0013]⑷球磨結(jié)束后將混合溶液取出，裝入到大燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯和碳化娃的混合物；
[0014](5)在室溫下，將石墨烯和碳化硅的混合物裝入冷壓模具中，利用液壓機(jī)壓制成平板形實(shí)心骨架，壓力為3?7MP ;
[0015](6)將冷壓成的平板形實(shí)心骨架裝入到壓力浸滲設(shè)備中，將用于制備中間層板的鋁合金基體粉末按配比稱量后置于坩禍中，分別加熱平板形實(shí)心骨架和與鋁合金基體粉末，其中，平板形實(shí)心骨架加熱至300?400°C并保溫，鋁合金基體粉末加熱至700?750°C成熔體后保溫，通過惰性氣體對該鋁合金熔體施加5?1MPa的壓力，并保持該壓力狀態(tài)0.5?2h使鋁合金熔體全部滲入平板形實(shí)心骨架中，然后將平板形實(shí)心骨架隨爐冷卻至室溫，得到碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材；
[0016](7)用金屬膠選用環(huán)氧改性型或無機(jī)硅酸鹽型金屬膠將5083鋁合金板材、碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材及7A21鋁合金板材粘接在一起，獲得三層夾心結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合裝甲板。
[0017]隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對裝甲防彈材料提出更高的要求，傳統(tǒng)工藝和傳統(tǒng)的復(fù)合材料已經(jīng)很難滿足裝甲材料的性能要求。如何從選用的材料上、結(jié)構(gòu)上及工藝上提高裝甲材料的性能是目前研宄者遇到的難題。本發(fā)明針對上述問題，從裝甲材料的選材、裝甲材料的結(jié)構(gòu)、及工藝上多方面同時考慮，通過采用壓力浸滲的工藝，將石墨烯與碳化硅混合物與鋁基材料復(fù)合，形成一個高強(qiáng)度的復(fù)合材料，利用該復(fù)合材料與高強(qiáng)度鋁合金板材制備出一種輕質(zhì)的“三明治”結(jié)構(gòu)的裝甲防彈板板材，很好的滿足現(xiàn)在裝甲防護(hù)材料的性能要求。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有的裝甲材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]第一，本發(fā)明采用球磨的方式將石墨烯與陶瓷顆粒復(fù)合，通過高速的球磨珠將片狀的純石墨烯嵌入到陶瓷顆粒的表面，形成比較好的結(jié)合，同時石墨烯分散性可以得到保證；
[0020]第二，本發(fā)明利用石墨烯和碳化硅同時增強(qiáng)高強(qiáng)度鋁合金制備輕質(zhì)裝甲，充分發(fā)揮了石墨烯、碳化硅顆粒的增強(qiáng)效果，同時采用密度較小鋁合金材料，使制備的裝甲板同時具有高強(qiáng)度和低密度的特點(diǎn)；
[0021]第三，本發(fā)明工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)大批量大尺寸的石墨烯增強(qiáng)材料的制備，降低生產(chǎn)成本，具有優(yōu)異的工程應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述:
[0023]本實(shí)施例所述的輕質(zhì)裝甲防彈板為三層夾心結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三層夾心結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別是牌號為5083鋁合金和7A21鋁合金的板材，中間層為碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的銷基復(fù)合材料板材，兩側(cè)板的厚度為1mm?20mm，中間層板的厚度為30mm?50mm，中間層板材的化學(xué)成分及重量百分比為:石墨烯與碳化硅混合物20%?60%，余量為鋁合金，該鋁合金基體的強(qiáng)度超過150MPa，石墨烯與碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比為0.3%?
[0024]制備該輕質(zhì)裝甲防彈板的方法的步驟為:
[0025]⑴將5g石墨烯加入到100ml酒精溶液中，利用超聲波振蕩制備出單分散的石墨烯均勻溶液；
[0026]⑵稱取100g碳化硅粉末，將碳化硅粉末添加到石墨烯均勻溶液中；
[0027](3)將步驟⑵得到的混合溶液裝入到球磨罐中，進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨時間為20小時；
[0028]⑷球磨結(jié)束后將混合溶液取出，裝入到大燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯與碳化娃的混合物；
[0029](5)在室溫下，將石墨烯和碳化硅的混合物裝入冷壓模具中，利用液壓機(jī)壓制成平板形實(shí)心骨架，壓力為3?7MP ;
[0030](6)將冷壓成的平板形實(shí)心骨架裝入到壓力浸滲設(shè)備中，將用于制備中間層板的鋁合金基體粉末按配比稱量后置于坩禍中，分別加熱平板形實(shí)心骨架和與鋁合金基體粉末，其中，平板形實(shí)心骨架加熱至350°C并保溫，鋁合金基體粉末加熱至750°C成熔體后保溫，通過惰性氣體對該鋁合金熔體施加1MPa的壓力，并保持該壓力狀態(tài)2h使鋁合金熔體全部滲入平板形實(shí)心骨架中，然后將平板形實(shí)心骨架隨爐冷卻至室溫，得到碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材；
[0031](7)用環(huán)氧改性型金屬膠將5083鋁合金板材、碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材及7A21鋁合金板材粘接在一起，獲得三層夾心結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合裝甲板。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種輕質(zhì)裝甲防彈板，該裝甲防彈板為三層夾心結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三層夾心結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別是牌號為5083鋁合金和7A21鋁合金的板材，中間層為碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的銷基復(fù)合材料板材，兩側(cè)板的厚度為1mm?20mm，中間層板的厚度為30mm?50mm，中間層板材的化學(xué)成分及重量百分比為:石墨烯與碳化硅混合物20%?60%，余量為鋁合金，該鋁合金基體的強(qiáng)度超過150MPa，石墨烯與碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比為0.3%?5%。
2.制備權(quán)利要求1所述輕質(zhì)裝甲防彈板的方法，其特征在于:該方法的步驟為: ⑴將石墨烯與酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比為0.5%?5%，利用超聲波振蕩制備出單分散的石墨烯均勻溶液； ⑵按石墨烯與碳化硅的重量百分關(guān)系稱取碳化硅粉末，將碳化硅粉末添加到石墨烯均勻溶液中； ⑶將步驟⑵得到的混合溶液裝入到球磨罐中，進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨時間為20?40小時； ⑷球磨結(jié)束后將混合溶液取出，裝入到大燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯和碳化硅的混合物； (5)在室溫下，將石墨烯和碳化硅的混合物裝入冷壓模具中，利用液壓機(jī)壓制成平板形實(shí)心骨架，壓力為3?7MP; (6)將冷壓成的平板形實(shí)心骨架裝入到壓力浸滲設(shè)備中，將用于制備中間層板的鋁合金基體粉末按配比稱量后置于坩禍中，分別加熱平板形實(shí)心骨架和與鋁合金基體粉末，其中，平板形實(shí)心骨架加熱至300?400°C并保溫，鋁合金基體粉末加熱至700?750°C成熔體后保溫，通過惰性氣體對該鋁合金熔體施加5?1MPa的壓力，并保持該壓力狀態(tài)0.5?2h使鋁合金熔體全部滲入平板形實(shí)心骨架中，然后將平板形實(shí)心骨架隨爐冷卻至室溫，得到碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材； (7)用金屬膠選用環(huán)氧改性型或無機(jī)硅酸鹽型金屬膠將5083鋁合金板材、碳化硅和石墨烯混合增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料板材及7A21鋁合金板材粘接在一起，獲得三層夾心結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合裝甲板。
【專利摘要】本發(fā)明是一種輕質(zhì)裝甲防彈板及其制備方法，該裝甲板采用三明治夾心結(jié)構(gòu)，芯部板材為碳化硅、石墨烯復(fù)合增強(qiáng)的新型鋁基復(fù)合材料，面板和背板分別為5083和7A21高強(qiáng)度鋁合金，三者之間通過金屬膠粘接。其中，芯部板材所采用的復(fù)合材料為石墨烯/碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，采用壓力浸滲工藝制備，浸滲骨架為混合均勻的碳化硅和石墨烯冷壓塊，本發(fā)明利用碳化硅和石墨烯的復(fù)合骨架浸滲鋁合金獲得芯部板材，利用碳化硅增強(qiáng)的同時，充分發(fā)揮了石墨烯對鋁合金的增強(qiáng)和增韌作用，提高了芯部板材的抗彈性能，最終獲得具有良好應(yīng)用前景的輕質(zhì)裝甲板。
【IPC分類】B32B37-12, B32B15-01, F41H5-04
【公開號】CN104848748
【申請?zhí)枴緾N201510250746
【發(fā)明人】燕紹九, 洪起虎, 楊程, 戴圣龍
【申請人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日