一種帶增強相梯度層的裝甲板及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種帶增強相梯度層的裝甲板及其制備方法，屬于輕質裝甲防護材料領域。
技術背景
[0002]常用的裝甲材料主要有金屬、聚合物復合材料、陶瓷裝甲和反應裝甲等。高合金鋼是一種較常用的金屬裝甲，其缺點是密度大、抗壓強度明顯低于陶瓷材料。陶瓷材料由于具有高抗壓強度和硬度，具有良好的抗破甲能力，但是其韌性較差，很難作為獨立的裝甲防護材料使用。金屬-陶瓷的科學復合既能發(fā)揮陶瓷的抗破甲能力，又能發(fā)揮金屬的抗沖擊和抗崩落能力來保持裝甲板的結構完整性，是裝甲應用和發(fā)展的趨勢。
[0003]結構復合最典型的應用是“三明治”結構的陶瓷-金屬復合裝甲，利用膠黏劑將陶瓷-金屬板粘結在一起。這種簡單層疊的復合裝甲因其在陶瓷-金屬結合面存在較大的波阻抗差，使入射的壓力波在結合面處分解為透射波、反射的拉伸波和橫向的剪切應力。反射的拉伸波和橫向的剪切應力會導致陶瓷面板的進一步碎裂和陶瓷-金屬粘結處出現(xiàn)大面積的開裂，使復合裝甲失去抗彈能力。為了解決壓縮應力波在界面上的分解，主要通過材料制備工藝的調整制備出金屬-陶瓷多相的復合裝甲。
[0004]目前，采用物理、化學氣相沉積法(PVD、CVD法)、粒子排列法等方法制備的梯度材料為連續(xù)分布梯度材料，但是由于制備工藝的限制，所獲得的梯度材料只有幾十微米厚，滿足不了實際裝甲板的應用要求。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術中存在的不足而設計提供了一種帶增強相梯度層的裝甲板及其制備方法，其目的是提供一種新型結構的帶增強相梯度層的裝甲板，并設計了通過熱等靜壓+熱擠壓的粉末冶金工藝進行制備，使該種裝甲板的帶增強相梯度層的厚度大幅增加，獲得具有更高強度和韌性的裝甲板，提高了抗彈性能。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明技術方案提供了一種帶增強相梯度層的裝甲板，其特征在于:該裝甲板的基體材料為強度超過150MPa的鋁合金，從基體材料的外表面向上制備3?5層的增強相梯度層，增強相梯度層是由石墨烯和陶瓷的混合物與基體材料的鋁合金組成，各梯度層中成分的重量百分比采用如下之一:
[0008]a當制備3層增強相梯度層時，從基體材料的外表面向上按順序，第一梯度層
[0009]石墨烯和陶瓷的混合物20%?25%，余量為鋁合金，第二梯度層石墨烯和陶瓷的混合物50%?55%，余量為鋁合金，第三梯度層石墨烯和陶瓷的混合物80%?85%，余量為鋁合金；
[0010]b當制備4層增強相梯度層時，從基體材料的外表面向上按順序，第一梯度層
[0011]石墨烯和陶瓷的混合物20%?25%，余量為鋁合金，第二梯度層石墨烯和陶瓷的混合物40 %?45 %，余量為鋁合金，第三梯度層石墨烯和陶瓷的混合物60 %?65 %，余量為鋁合金，第四梯度層石墨烯和陶瓷的混合物80%?85%，余量為鋁合金；
[0012]c當制備5層增強相梯度層時，從基體材料的外表面向上按順序，第一梯度層
[0013]石墨烯和陶瓷的混合物20%?25%，余量為鋁合金，第二梯度層石墨烯和陶瓷的混合物35%?40%，余量為鋁合金，第三梯度層石墨烯和陶瓷的混合物50%?55%，余量為鋁合金，第四梯度層石墨烯和陶瓷的混合物650%?70 %，余量為鋁合金，第五梯度層石墨烯和陶瓷的混合物80%?85%，余量為鋁合金；
[0014]石墨烯和陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比為0.3%?10%。
[0015]裝甲板的基體材料是牌號為5083鋁合金。
[0016]石墨烯與陶瓷混合物中的陶瓷為碳化硅、碳化硼中的一種或兩種的混合物。
[0017]本發(fā)明技術方案還提供了一種制備所述帶增強相梯度層的裝甲板的方法，其特征在于:該方法的步驟為:
[0018]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；
[0019]⑵按石墨烯與陶瓷的重量百分關系稱取陶瓷粉末，將陶瓷粉末添加到石墨烯均勻溶液中；
[0020]⑶將步驟⑵得到的混合溶液裝入到球磨罐中，進行機械球磨，球磨時間為20?40小時；
[0021]⑷球磨結束后將混合溶液取出，裝入到大燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯與陶瓷的混合物；
[0022](5)將石墨烯與陶瓷的混合物與鋁合金粉末按不同梯度層的配比稱取，在混料機中進行混合，得到制備不同梯度層的混合粉體；
[0023](6)先在包套中裝入作為基體材料的鋁合金粉末層，然后再將不同梯度層的混合粉體依次按基體材料的外表面向上的梯度層順序裝入包套，鋁合金粉末層和梯度層的混合粉體的高度均為1mm?15mm，為了使裝入的混合粉體表面平整，裝粉工作在小型振動臺上進行；
[0024](7)全部粉體依次加入包套后，對包套進行抽真空處理，抽真空的同時進行加熱，加熱溫度為400?500°C，當真空度達到KT2Pa以下時對包套進行密封，除去石墨烯/金屬復合粉末中的蒸汽、夾雜氣體，避免鋁合金顆粒表面形成氧化膜；
[0025]⑶包套除氣后在振動臺上進行5min?1min的相當于手動操作力量的震動，利用石墨烯與陶瓷的混合物和鋁合金粉體密度的差異，在震動的作用下使不同梯度層的界面弱化，使整個包套內石墨烯與陶瓷的混合物含量呈連續(xù)的梯度分布；
[0026](9)隨后對包套進行熱等靜壓獲得密實的石墨烯/陶瓷增強鋁合金復合材料，熱等靜壓溫度為450?500°C，壓力為100?120MPa，保溫時間為0.5?2h ;
[0027](IQ)最后對包套進行熱擠壓，熱擠壓溫度為400?500°C，壓力為5?lOMPa，車加工去除包套，最終得到了帶增強相梯度層的裝甲板。
[0028]大量性能測試及研宄結果表明，用于裝甲防護的材料要求表面具備高強度高沖擊性能，而內部需求高阻尼性能吸收能量，從而達到優(yōu)良的裝甲防護功能。從表面到內部的裝甲材料對強度性能和阻尼性能的要求是不一樣的，從表面到內部，對強度性能要求越來越低，而對阻尼性能要求越來越高，所以對應的增強相的含量從表面到內部應該逐漸降低。本發(fā)明旨在制備一種這樣的新型增強相梯度材料，使得裝甲材料從表面到內部的性能均能滿足裝甲防護材料提出的要求。同時本發(fā)明采用包套熱等靜壓加熱擠壓的工藝，能夠滿足制備大尺寸梯度材料的要求，而且采用此種粉末冶金工藝，更好的提高了材料的性能。
[0029]本發(fā)明技術方案所述的輕質梯度裝甲板同時采用石墨烯和陶瓷材料對高強度鋁合金進行增強，獲得的裝甲板具有超高的強度同時具有良好的韌性，保證了良好的抗彈性能。在制備時，先將石墨烯與陶瓷顆粒通過球磨混合均勻，使石墨烯附著在陶瓷顆粒上，在隨后與鋁粉混料中均勻分散在鋁基體中，再利用石墨烯粉、陶瓷顆粒和鋁粉密度的不同，在振動臺上使不同相材料更加均勻的分布，解決石墨烯在鋁合金中的分散問題，完成階梯型梯度材料向連續(xù)梯度材料的轉變，所用的方法簡單，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【具體實施方式】
[0030]以下將結合實施例對本發(fā)明技術方案作進一步地詳述:
[0031]實施例1
[0032]制備帶三層增強相梯度層的裝甲板，裝甲板的基體材料是牌號為5083鋁合金，增強相為石墨烯與碳化硅的混合物，石墨烯在混合物中的重量百分比為0.5%，該裝甲板三層增強相梯度層的成分及重量百分比為:
[0033]從基體材料的外表面向上按順序，第一梯度層石墨烯和陶瓷的混合物20%?25 %，余量為鋁合金，第二梯度層石墨烯和陶瓷的混合物50 %?55 %，余量為鋁合金，第三梯度層石墨烯和陶瓷的混合物80%?85%，余量為鋁合金；
[0034]制備所述帶增強相梯度層的裝甲板的方法的步驟為:
[0035]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；
[0036]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；
[0037](3)將步驟⑵得到的混合溶液裝入到球磨罐中，進行機械球磨，球磨時間為20小時；
[0038]⑷球磨結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；
[0039](5)將石墨烯與碳化硅的混合物與5083鋁合金粉末按不同梯度層的配比稱取，在混料機中進行混合，得到制備不同梯度層的混合粉體；
[0040](6)先在包套中裝入作為5083鋁合金粉末層，然后再將不同梯度層的混合粉體依次按基體材料的外表面向上的梯度層順序裝入包套，包套尺寸為Φ70mmX 80mm，鋁合金粉末層和梯度層的混合粉體的高度均為10_，為了使裝入的混合粉體表面平整，裝粉工作在小型振動臺上進行，松裝量不低于1.6g/cm3 ；
[0041](7)全部粉體依次加入包套后，對包套進行抽真空處理，抽真空的同時進行加熱，加熱溫度為480°C，當真空度達到10_2Pa以下時對包套進行密封，除去石墨烯/金屬復合粉末中的蒸汽、夾雜氣體，避免鋁合金顆粒表面形成氧化膜；
[0042]⑶包套除氣后在振動臺上進行1min的相當于手動操作力量的震動，利用石墨烯與碳化硅混合物和5083鋁合金粉體密度的差異，在震動的作用下使不同梯度層的界面弱化，使整個包套內石墨烯與陶瓷的混合物含量呈連續(xù)的梯度分布；
[0043](9)隨后對包套進行熱等靜壓獲得密實的石墨烯/陶瓷增強鋁合金復合材料，熱等靜壓溫度為480°C，壓力為llOMPa，保溫時間為Ih ；
[0044](IQ)最后對包套進行熱擠壓，熱擠壓溫度為410°C，壓力為lOMPa，車加工去除包套，最終得到了帶增強相梯度層的裝甲板。
[0045]實施例2
[0046]制備帶四層增強相梯度層的裝甲板，裝甲板的基體材料是牌號為5083鋁合金，增強相為石墨烯與碳