[发明专利]一种带有止裂通孔的碳化硼‑铝合金复合板的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硼防弹陶瓷领域，尤其涉及一种碳化硼陶瓷-铝合金复合板的制备方法。

背景技术

防弹装甲材料日益朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成本的方向发展。传统金属防弹材料由于密度大，使得车辆、船舶和飞机不得不牺牲其有效载荷，同时过厚的装甲又降低了设备的操作灵活性，因此，轻质防弹材料已经成为目前的研究热点和发展趋势。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性优异、热膨胀系数小、密度低等优良的性能，并且陶瓷材料具备的吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的，其中B₄C陶瓷的高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼）和低密度（2.52g/cm³），使其在防弹装甲域具有巨大的应用潜力。金属铝具有优良的塑性和韧性、易加工成型和密度较低（2.7g/cm³），而且原料来源广泛，价格便宜，与陶瓷材料复合后具有轻质、高强、高韧的特点。因此，将B₄C陶瓷与金属铝相结合，形成碳化硼-铝合金复合装甲，扬长避短，发挥二者的性能优势，是制备高性能防弹装甲的一条有效的途径。

目前的抗弹陶瓷厚度一般小于30mm，主要用于防小口径弹种的攻击，对于更高等级的防护，要求复合装甲中的抗弹陶瓷有一定的厚度，尽管采用多层叠铺方式也可以实现陶瓷的大厚度要求，但由于尺寸效应其抗弹性能会相应下降;而采用大厚度整体抗弹陶瓷，可提高防护装甲抗击高能量打击的能力。B₄C的熔点高达2350℃，纯B₄C材料因其高共价键含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添加烧结助剂促进其烧结。B₄C陶瓷的低韧性严重影响其抗弹性能。因此可以采取成分及结构复合的方式来提高B₄C陶瓷的韧性。目前B₄C陶瓷的制备主要是热压烧结、无压烧结、反应烧结三种工艺。其中反应烧结温度低，能够以净尺寸烧结，具有良好的应用前景。

目前，制备碳化硼陶瓷-铝合金复合材料通常是先制备出多孔碳化硼骨架，之后采用熔渗液态铝的方法，获得三维网络结构的碳化硼-铝复合材料，但该结构材料难以充分发挥碳化硼陶瓷的优异特性，也难以制备大尺寸制品。流延成型可用来成型大尺寸陶瓷制品，但通常适合于制备薄片制品，在制备大厚度产品方面有很大的局限性。

发明内容

本发明提供一种带有止裂通孔的大厚度碳化硼-铝合金复合装甲的制备方法，先制备出大厚度碳化硼陶瓷板，之后将陶瓷板与铝合金直接浇注，使铝合金在三维空间上对碳化硼陶瓷进行约束和固结，形成铝包裹碳化硼的一体结构材料。陶瓷板上均匀分布的止裂孔也有利于浇筑过程中液态铝的流动和贯通，使铝合金与碳化硼陶瓷的结合更加牢固该制备方法包括以下步骤：1）制备压坯，所述压坯的厚度为60-80mm；烘干得到素坯；2）用钻床在素坯上加工多个通孔；3）将钻完孔的素坯放入真空炉进行烧结，真空度≤10Pa；最高烧结1550-1600℃，保温1-2h；4）根据碳化硼陶瓷板的尺寸预制一定形状的模具，将待浇注的陶瓷板在烘箱内预热，然后取出放置在模具内，待铝合金在熔炼炉升温至一定温度，完全熔化后浇铸于陶瓷块周围，形成铝合金包裹碳化硼陶瓷的整体结构。

作为优选，所述步骤2）中通孔的孔径为3-5mm；所述多个通孔在碳化硼陶瓷板的防弹区域均匀分布；呈三维网格状结构。

作为优选，所述步骤3）中，将硅饼置于坯件上层烧结，硅饼重量与坯件重量比例为1.3:1；真空烧结温度1550-1600℃，保温1-2h。

作为优选，所述步骤4）中，将陶瓷板在400℃烘箱内预热1小时后放置在模具内。

作为优选，所述步骤4）中的铝合金水的用量根据浇注尺寸计算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在碳化硼陶瓷素坯上加工均匀分布的止裂孔，精确设计止裂孔的尺寸和位置分布。止裂孔的存在有三方面的作用：第一点是有利于压坯内应力的释放，消除应力集中，防止产品开裂和变形；第二点是有利于烧结过程中内部挥发性产物的排出，增强毛细管作用力，有利于真空熔渗时液硅渗入碳化硼素坯内部，解决大厚度陶瓷液硅熔渗困难的问题，改善产品密度分布的均匀性；第三点也是最重要的一点，当防弹装甲受到弹头冲击时，止裂孔的存在能有效消除裂纹尖端的应力集中，阻止陶瓷材料中裂纹的扩展，将陶瓷的破碎范围限制在较小的区域面积内，避免整块陶瓷板的崩溃，有效提高防弹装甲承受密集冲击的能力；