一种铝合金/陶瓷复合材料及制备方法与流程

本发明属于材料领域，尤其涉及一种新型的铝合金/陶瓷复合材料及制备方法。

背景技术：

装甲的防护能力是评价军用车辆的一个重要指标，为了提升军用车辆的防护能力，披挂装甲以披挂的方式安装到车辆易受损伤的部位。披挂装甲的材料需要满足弹道性能要求，包括装甲能抗侵彻、抗冲击和抗崩落。

抗侵彻性是装甲阻止弹丸部分或全部贯穿装甲的能力。它取决于材料对弹丸、弹片能量消耗的程度，材料的抗拉强度和硬度越高，其抗侵彻能力越强。抗冲击性是装甲能够吸收冲击而不产生裂缝或开裂的能力。抗崩落性是装甲阻止开裂、分层崩落或破裂脱离装甲板的性能。

铝合金作为防护材料，在相同的抗弹性能下，可比钢装甲减重20％，目前应用十分广泛，然而单一的铝合金防护装甲存在防护性能不足的问题。

陶瓷材料具有高硬度、低密度的特点，在弹道防护方面可以发挥重要的作用，受到弹丸冲击时，可以使弹丸破碎，并在侵彻过程中因磨损而消耗能量。在受到撞击时碎裂，可以使弹丸能量在更大的面积上传递消耗，弹丸击穿下一个防护层将会非常困难。然而陶瓷材料存在易碎的缺点，因此抗多发弹性能差。

技术实现要素：

为了获得有良好综合性能的材料，本发明提出一种新型的铝合金/陶瓷复合材料及制备方法，将陶瓷团粒均匀密排在铝合金基体中，具有轻质、高抗弹性、抗多发弹特点。

本发明的实施例提供一种铝合金/陶瓷复合材料，包括铝合金基体和陶瓷团粒，所述铝合金基体包覆所述陶瓷团粒；

所述陶瓷团粒位于同一平面，相邻的所述陶瓷团粒之间设有间隙；

所述陶瓷团粒的高度与所述铝合金/陶瓷复合材料的高度的比值为0.1～0.7。

上述的铝合金/陶瓷复合材料中，所述铝合金基体的材质为7×××铝合金，所述陶瓷团粒的材质为碳化硅或氧化铝。

上述的铝合金/陶瓷复合材料中，所述陶瓷团粒顶端和底端均设有球冠。

上述的铝合金/陶瓷复合材料中，所述陶瓷团粒上方的铝合金厚度与所述陶瓷团粒下方的铝合金厚度相同。

上述的铝合金/陶瓷复合材料中，相邻的所述陶瓷团粒之间的间隙为2～4mm。

本发明的实施例还提供一种制备上述铝合金/陶瓷复合材料的方法，包括步骤：

a、在模具底部铺设一层铝合金粉，在所述铝合金粉的上方排放陶瓷团粒，相邻所述陶瓷团粒设有间隙，在所述陶瓷团粒上方铺设另一层铝合金粉；

b、将所述模具封装后进行热等静压处理，获得毛坯；

c、对所述毛坯进行固溶处理和时效处理，得到所述铝合金/陶瓷复合材料。

作为本发明可选的方案，所述步骤a之前还包括步骤：制备铝合金粉和陶瓷团粒。

作为本发明可选的方案，所述陶瓷团粒的顶端和底端均设有球冠。

作为本发明可选的方案，所述步骤c之后还包括步骤：对所述铝合金/陶瓷复合材料进行后处理和机械加工。

作为本发明可选的方案，所述热等静压处理的条件为：压力50～200mpa，升温速率5～50℃/min，升温至400～500℃，保温120～300min；

所述固溶处理的条件为：温度470～480℃，时间1～2h；

所述时效处理的条件为：温度120～130℃，时间10～30h。

本发明的铝合金/陶瓷复合材料及制备方法，以铝合金材料为基体，将陶瓷团粒嵌入铝合金基体中，陶瓷团粒为主要的抗冲击材料；在相邻的陶瓷团粒之间设有间隙，使得铝合金材料可以紧紧包覆陶瓷团粒，实现对陶瓷团粒的三维约束，在受到子弹侵彻时可以约束陶瓷团粒的移动、开裂、崩落，使其继续抵抗子弹侵彻，消耗其能量。因此本发明所述铝合金/陶瓷复合材料具有轻质、高抗弹性能、抗多发弹等优点。

附图说明

图1是本发明铝合金/陶瓷复合材料结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的实施例提供一种铝合金/陶瓷复合材料，其包括铝合金基体1和陶瓷团粒2。铝合金基体1包覆陶瓷团粒2，即陶瓷团粒2嵌入铝合金基体1中，铝合金基体1紧紧包裹住陶瓷团粒2。铝合金基体1实现对陶瓷团粒2的三维约束。

在铝合金基体1内，陶瓷团粒2均位于同一平面上，本实施例中，陶瓷团粒2均位于相同的水平面。所有的陶瓷团粒2在铝合金基体1内平铺，不同的陶瓷团粒2的底端到铝合金/陶瓷复合材料底面的距离均相同。相邻的陶瓷团粒2之间设有间隙，陶瓷团粒2之间的间隙由铝合金填充，实现铝合金基体1对陶瓷团粒2的包覆。

陶瓷团粒2的高度与所述铝合金/陶瓷复合材料的高度的比值为0.1～0.7。可选的，陶瓷团粒2的外侧壁为圆柱形。铝合金/陶瓷复合材料作为装甲使用时，圆柱形的陶瓷团粒2更有利于装甲的受力，提高装甲的防护能力。

本实施例中，陶瓷团粒2的直径为11～15mm，陶瓷团粒2的高度为6～12mm，铝合金/陶瓷复合材料的高度(厚度)为18～42mm，陶瓷团粒2上方和下方的铝合金厚度为6～15mm。根据实际情况，陶瓷团粒2的尺寸及铝合金/陶瓷复合材料的高度也可适当调整。

本实施例将陶瓷团粒包裹在铝合金基体中，实现高强铝合金对陶瓷团粒的三维约束。既利用了陶瓷材料硬度高的特点，又利用了铝合金质量轻的特点，陶瓷团粒弥补了铝合金防护性能不够的缺点。铝合金/陶瓷复合材料具有轻质、高抗弹性能、抗多发弹等优点。

本实施例的铝合金/陶瓷复合材料中，铝合金基体的材质为7×××铝合金，陶瓷团粒的材质为碳化硅或氧化铝。7×××铝合金的强度高，更适用于作为装甲材料使用，提高铝合金/陶瓷复合材料的综合性能。

可选地，在陶瓷团粒2顶端和底端均设有球冠21。球冠21为球面状，可增大陶瓷团粒2和铝合金基体1接触面积，提高两者的结合强度，同时增大弹丸非零度角入射侵彻的概率，从而提高陶瓷材料的抗弹能力。本实施例中，球冠21的高度为1.5mm，球冠21的高度可根据实际情况调整。

本实施例中，陶瓷团粒2上方的铝合金厚度与陶瓷团粒2下方的铝合金厚度相同，使得铝合金/陶瓷复合材料上方和下方的抗弹能力相同。若想增强铝合金/陶瓷复合材料上方的抗弹能力，将陶瓷团粒2适当向上移动，增加陶瓷团粒2下方的铝合金厚度即可实现。

可选地，相邻的陶瓷团粒之间的间隙为2～4mm，陶瓷团粒之间的间隙由铝合金填充。若陶瓷团粒之间的间隙过小，无法实现铝合金对陶瓷团粒的三维约束。若陶瓷团粒之间的间隙过大，会减少排布的陶瓷团粒的数量，影响铝合金/陶瓷复合材料的抗弹性能。

本发明的实施例还提供一种制备上述铝合金/陶瓷复合材料的方法，包括步骤：

a、在模具底部铺设一层10～20mm的铝合金粉；在铝合金粉的上方排放陶瓷团粒，相邻陶瓷团粒设有间隙，间隙为2～4mm；在陶瓷团粒上方铺设另一层10～20mm的铝合金粉。本实施例中铝合金粉为7×××铝合金粉。

b、将模具封装后进行热等静压处理，获得毛坯。可选地，热等静压处理的条件为：压力50～200mpa，升温速率5～50℃/min，升温至400～500℃，保温120～300min。

c、对毛坯进行固溶处理和时效处理，得到铝合金/陶瓷复合材料。可选地，固溶处理的条件为：温度470～480℃，时间1～2h。时效处理的条件为：温度120～130℃，时间10～30h

本实施例中，在步骤a之前还包括步骤：制备铝合金粉和陶瓷团粒。陶瓷团粒的顶端和底端均设有球冠，陶瓷团粒的直径为11～15mm，高度为6～12mm，球冠的高度为1.5mm。

可选地，步骤c之后还包括步骤：对铝合金/陶瓷复合材料进行后处理和机械加工。为了获得满足需求厚度的板材和平面度，制备好铝合金/陶瓷复合材料后，可对铝合金/陶瓷复合材料压平处理和上表面和下表面进行加工，各去除厚度1～5mm，形成高度为18～42mm的铝合金/陶瓷复合防弹板。

本实施例采用热等静压方式结合后续固溶-时效热处理的方法，实现高强铝合金对陶瓷团粒的三维约束，可制备铝合金/陶瓷牢固连接的复合材料，复合材料可用作披挂装甲。

实施例1

一种铝合金/陶瓷复合材料，其制备方法如下：

(1)制备7075铝合金粉；

(2)制备碳化硅陶瓷团粒，其直径为12mm，高度(厚度)为6mm，上下设有1.5mm高的球冠；

(3)在模具底部先铺一层厚度10mm的7075铝合金粉；再在铝合金粉上均匀密排陶瓷团粒，陶瓷团粒之间间隙为2mm；然后在陶瓷团粒上再铺上厚度10mm的7075铝合金粉；

(4)将模具封装后，对装有铝合金粉和陶瓷团粒的模具进行热等静压，热等静压采用压力为100mpa，升温速率为50℃/min，升温至450℃，保温200min后出炉脱模，形成毛坯；

(5)对毛坯进行固溶处理和时效处理，固溶温度为470℃，时间为1h，时效温度为120℃，时间为30h，获得铝合金/陶瓷复合材料；

(6)对铝合金/陶瓷复合材料进行后处理和机加工，铝合金基体上下表面各加工去除1～3mm，得到复合防弹板板，厚度为18mm。

对该复合防弹板进行7.62mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，射击距离为100m，射击角度为0°，三发弹丸速度v25为815mm/s、807mm/s、829mm/s，三发弹丸依次射中同一复合防弹板，三发弹丸均未穿透靶板模块，靶板背凸高度小于5mm，模块除了弹孔处有损伤，其他部位保持完整，表明该复合防弹板防弹效果较好并能够防多发弹。其中，速度v25是指距离枪口25m处测得的弹丸速度。

实施例2

一种铝合金/陶瓷复合材料，其制备方法如下：

(1)制备7055铝合金粉；

(2)制备氧化铝陶瓷团粒，其直径为15mm，厚度为8mm，上下设有1.5mm高的球冠；

(3)在模具底部先铺一层厚度20mm的7055系铝合金粉；再在铝合金粉上均匀密排陶瓷团粒，陶瓷团粒之间间隙为3mm；然后在陶瓷团粒上再铺上厚度20mm的7055系铝合金粉；

(4)将模具封装，对装有铝合金粉和陶瓷团粒的模具进行热等静压，热等静压采用压力为50mpa，升温速率为5℃/min，升温至400℃，保温300min后出炉脱模，形成毛坯；

(5)对毛坯进行固溶处理和时效处理，固溶温度为480℃，时间为2h，时效温度为130℃，时间为12h；获得铝合金/陶瓷复合材料；

(6)对获得铝合金/陶瓷复合材料进行后处理和机加工，铝合金基体上下表面各加工去除2～4mm，得到复合防弹板，厚度为38mm。

对该复合防弹板进行12.7mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，三发弹丸速度v25为820mm/s、823mm/s、827mm/s，三发弹丸依次射中同一复合防弹板，三发弹丸均未穿透靶板模块，靶板背凸高度小于6mm，模块除了弹孔处有损伤，其他部位保持完整，表明该复合防弹板的防弹效果较好并能够防多发弹。

实施例3

一种铝合金/陶瓷复合材料，其制备方法如下：

(1)制备7085铝合金粉；

(2)制备氧化铝陶瓷团粒，其直径为13mm，厚度为12mm，上下设有1.5mm高的球冠；

(3)在模具底部先铺一层厚度20mm的7085系铝合金粉；再在铝合金粉上均匀密排陶瓷团粒，陶瓷团粒之间间隙为4mm；然后在陶瓷团粒上再铺上厚度20mm的7085系铝合金粉；

(4)将模具封装，对装有铝合金粉和陶瓷团粒的模具进行热等静压，热等静压采用压力为200mpa，升温速率为30℃/min，升温至500℃，保温120min后出炉脱模，形成毛坯；

(5)对毛坯进行固溶处理和时效处理，固溶温度为475℃，时间为1h，时效温度为125℃，时间为15h；获得铝合金/陶瓷复合材料；

(6)对获得铝合金/陶瓷复合材料进行后处理和机加工，铝合金基体上下表面各加工去除3～5mm，得到复合防弹板，厚度为42mm。

对该复合防弹板进行12.7mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，三发弹丸速度v25为828mm/s、826mm/s、821mm/s，三发弹丸依次射中同一复合防弹板，三发弹丸均未穿透靶板模块，靶板背凸高度小于5mm，模块除了弹孔处有损伤，其他部位保持完整，表明该复合防弹板的防弹效果较好并能够防多发弹。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。