一種帶連續(xù)梯度增強(qiáng)相的裝甲板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種帶連續(xù)梯度增強(qiáng)相的裝甲板及其制備方法，
[0002]涉及一種輕型裝甲板，具體地說是一種連續(xù)梯度輕質(zhì)裝甲板的制備方法，屬于輕質(zhì)裝甲防護(hù)材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]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)。裝甲防護(hù)有多種類型，目前較為先進(jìn)的單元為“三明治”結(jié)構(gòu)，是由兩塊面板和一塊中間夾層材料組成。面板可以選擇鋼、鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料等，而中間夾層材料可以選擇陶瓷、金屬泡沫、橡膠、塑料等。這類裝甲防護(hù)通過結(jié)構(gòu)變形吸收爆炸和來襲子彈或彈片的沖擊能量，但是其重量較大，且抵御子彈或彈片的能力有限，而探索輕質(zhì)且具備高效防護(hù)性能的防護(hù)結(jié)構(gòu)是裝甲防護(hù)的終極目標(biāo)。
[0004]陶瓷-金屬復(fù)合的梯度材料同時具備陶瓷的高硬度和金屬的強(qiáng)韌性而被用于裝甲材料，但是目前的梯度材料多是不同陶瓷含量的復(fù)合板層狀疊加的簡單復(fù)合，板層界面之間容易發(fā)生破壞。
[0005]噴射成形技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，該技術(shù)具有快速凝固的特點(diǎn)，可制備常規(guī)工藝難以制備的高合金或超高合金材料，快速凝固促進(jìn)了金屬組織細(xì)化、消除了宏觀偏析，材料晶粒細(xì)小、組織均勻，從而大幅度地提高了合金性能。采用噴射成形技術(shù)既能克服了傳統(tǒng)的冶金鑄造過程帶來的缺陷，又可免除復(fù)合板材板層界面之間容易發(fā)生破壞的問題。中國專利200410039057.9將純S1、Al原材料放入中頻感應(yīng)電爐中升溫熔化，澆鑄成中間合金錠，然后采用噴射成形技術(shù)制備Al-Si合金，提供一種低熱膨脹系數(shù)、高熱傳導(dǎo)率、低密度和可加工的高硅鋁合金的制備方法，廣泛適用于電訊、航空、航天、國防和其他相關(guān)工業(yè)電子元器件所需的新型封裝或散熱材料。
[0006]隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對裝甲板材性能提出了更高的要求，目前采用的普通工藝的陶瓷-金屬復(fù)合材料已經(jīng)很難達(dá)到要求。針對裝甲板作為防彈裝甲材料，其面層需要高強(qiáng)度耐沖擊性能，而芯部需要高阻尼性能吸收能量，需要一種連續(xù)梯度分布材料才能滿足上述要求。
[0007]目前，采用物理、化學(xué)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(shí)際裝甲板的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計(jì)提供了一種連續(xù)梯度輕質(zhì)裝甲板的制備方法，其目的是提供一種新型結(jié)構(gòu)的連續(xù)梯度輕質(zhì)裝甲板，并設(shè)計(jì)了通過采用雙噴射源，精確控制噴射速率的方式，實(shí)現(xiàn)對該種裝甲板噴射成形。使該種裝甲板的帶增強(qiáng)相梯度層的厚度大幅增加，獲得具有更高強(qiáng)度和韌性的裝甲板，提高了抗彈性能。
[0009]本發(fā)明的目的是通過下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明提供了一種帶連續(xù)梯度增強(qiáng)相的裝甲板，其特征在于:該裝甲板的基體材料為強(qiáng)度超過150MPa的鋁合金，從裝甲板的外表面向內(nèi)40mm?10mm的垂直深度范圍內(nèi)，摻雜石墨烯與陶瓷的混合物，石墨烯與陶瓷的混合物在所述垂直深度范圍內(nèi)，從裝甲板的外表面向內(nèi)的濃度呈連續(xù)變化，逐漸減小，變化數(shù)值范圍為80%?0%，濃度是指在所述垂直深度范圍內(nèi)某一位置處的平面內(nèi)，石墨烯與陶瓷混合物的重量占該平面內(nèi)總重量的百分比，該平面與所述垂直深度的方向相垂直；
[0011]石墨烯與陶瓷的混合物中，石墨烯的重量百分比為0.3%?10%。
[0012]裝甲板的基體材料是牌號為5083鋁合金。
[0013]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。
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案還提供了所述帶連續(xù)梯度增強(qiáng)相的裝甲板的方法，其特征在于:該方法的步驟為:
[0015]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；
[0016]⑵按石墨烯與陶瓷的重量百分關(guān)系稱取陶瓷粉末，將陶瓷粉末添加到石墨烯均勻溶液中；
[0017]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；
[0018]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，得到石墨烯與陶瓷的混合物；
[0019](5)將待沉積板表面清理干凈，然后放入噴射成型設(shè)備中，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫至500?550 °C ；
[0020](6)將石墨烯與陶瓷的混合物和鋁合金粉末分別裝入噴射成型設(shè)備的兩個坩禍中，石墨烯與陶瓷的混合物在坩禍中的裝料高度為150?250_，鋁合金粉末在坩禍中的裝料高度為200?300mm，將石墨烯與陶瓷的混合物加熱到400?500°C并保溫，將鋁合金粉末加熱到700?750°C并保溫；
[0021](7)石墨烯與陶瓷的混合物和鋁合金粉末熔體分別經(jīng)由坩禍上的霧化嘴流入霧化器，經(jīng)高壓惰性氣體霧化后同時向沉積板表面噴射沉積，裝有石墨烯與陶瓷混合物的坩禍上的霧化嘴的直徑從Omm至2mm以0.05/min?lmm/min的速度緩慢的打開，裝有銷合金粉末恪體的i甘禍上的霧化嘴的直徑從2mm至0.4mm以0.05mm/min?lmm/min的速度緩慢的閉合，兩個霧化嘴的噴射速度均為I?2m/s ；
[0022]⑶噴射完成后，待沉積板完全冷卻，從沉積板上取下冷卻后的連續(xù)梯度材料，放入壓機(jī)中進(jìn)行熱擠壓，熱擠壓溫度為400°C?450°C，壓力為lOMPa，得到了帶連續(xù)梯度增強(qiáng)相的裝甲板。
[0023]研宄分析表明，用于防彈裝甲的材料需同時具備高的耐沖擊性能良好的阻尼減震性能，傳統(tǒng)材料已經(jīng)很難達(dá)到同時具備上述兩種性能。大量的試驗(yàn)研宄表明，只有連續(xù)梯度復(fù)合材料才能很好的達(dá)到同時具備上述性能，本發(fā)明旨在制備一種這樣的新型增強(qiáng)相連續(xù)梯度材料，使得裝甲材料從表面到內(nèi)部，強(qiáng)度性能逐漸下降，阻尼性能逐漸提高，滿足防彈裝甲材料的性能要求。
[0024]本發(fā)明是一種無界面的石墨烯/陶瓷-金屬連續(xù)梯度裝甲板，石墨烯與陶瓷增強(qiáng)相在金屬內(nèi)部成連續(xù)梯度分布狀態(tài)，石墨烯與陶瓷的混合物的含量在基材中，從0%?80%，成一種無界面的連續(xù)梯度分布，使材料在承受沖擊時不易發(fā)生層裂破壞。
[0025]本發(fā)明利用石墨烯粉和陶瓷顆粒共同增強(qiáng)5083高強(qiáng)度鋁合金的方法制備了輕質(zhì)高強(qiáng)度板，通過球磨使石墨烯粉均勻分散在陶瓷顆粒上，解決了石墨烯的分散問題及石墨烯輕質(zhì)不易噴射的問題，采用雙坩禍雙噴嘴噴射成形技術(shù)控制增強(qiáng)體顆粒和鋁熔體各自的