[發(fā)明專利]一種輕質(zhì)高強(qiáng)防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011061822.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112267087B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張興國(guó);周秉文;孟令剛;亞斌;景棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué);大連理工大學(xué)寧波研究院
• 主分類號(hào): C23C4/06
• 分類號(hào): C23C4/06;C23C4/129;C23C4/131;C23C4/134;C23C4/02;C23C4/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種輕質(zhì)高強(qiáng)防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法，屬于防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用陶瓷?金屬團(tuán)聚燒結(jié)WC?Ni、WC?Co、B₄C?Ni、B₄C?Co等粉體，或陶瓷?金屬團(tuán)聚燒結(jié)粉體與鈦粉混合物，以超音速火焰噴涂或等離子噴涂等熱噴涂技術(shù)，在鋁合金、鎂合金或鈦合金等一種或幾種復(fù)合的輕質(zhì)金屬基材表面形成高強(qiáng)度、高彈性模量和高硬度的抗彈層，以輕質(zhì)金屬作為韌性吸能層，解決傳統(tǒng)陶瓷及陶瓷復(fù)合防護(hù)材料抗多發(fā)彈能力較差，以及多層結(jié)構(gòu)復(fù)合防護(hù)材料層間結(jié)合力低，制備工藝復(fù)雜等缺陷。本發(fā)明具備抗彈沖擊的梯度性能響應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊和吸能特性，且制備工藝適用于大尺寸、復(fù)雜形狀防護(hù)構(gòu)件批量生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輕質(zhì)高強(qiáng)防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

裝甲防護(hù)的基本原理是消耗射彈能量、使射彈減速并達(dá)到無(wú)害。傳統(tǒng)的金屬工程材料一般是通過(guò)發(fā)生塑性變形來(lái)吸收能量，而陶瓷材料則是通過(guò)微破碎過(guò)程吸收能量。隨著裝甲系統(tǒng)輕量化、高效化的發(fā)展需求，防彈陶瓷的優(yōu)越性愈加凸顯。其主要優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)硬度高、密度小等，但易破碎、抗多發(fā)打擊性能弱的劣勢(shì)在一定程度上限制了其應(yīng)用。目前，防彈陶瓷主要朝著提高抗多發(fā)打擊性能、減輕質(zhì)量及降低成本這三個(gè)方面進(jìn)行。目前制備防護(hù)裝甲材料時(shí)，通常將小塊排布的陶瓷面板與金屬背板結(jié)合成陶瓷復(fù)合靶板，以克服陶瓷由于拉應(yīng)力引起的失效，并確保彈丸侵徹時(shí)只粉碎單塊而不破壞裝甲整體。

在20世紀(jì)60年代，B₄C最先用于設(shè)計(jì)防彈背心，之后裝配到飛機(jī)飛行員的座椅上。B₄C陶瓷的硬度僅次于金剛石，達(dá)努氏硬度2900以上，且其密度低(2.5g/cm³)，特別適合軍用飛機(jī)作防彈面板材料。20世紀(jì)90年代，美國(guó)科學(xué)家首次利用梯度功能材料設(shè)計(jì)裝甲，提出了梯度裝甲的概念。材料中陶瓷顆粒體積含量沿厚度連續(xù)變化，使其面板接近于陶瓷材料的性能、背板類似于金屬材料性能。Gupta等運(yùn)用放電等離子燒結(jié)法制得TiB₂-Ti功能梯度材料，通過(guò)小口徑射彈沖擊的彈道深度測(cè)試，得到TiB₂-Ti和TiB₂基復(fù)合材料的彈道效率在5.1～5.9，比TiB₂基復(fù)合材料的彈道深度更小、效率更高、防彈性能更佳。之后，美軍直升機(jī)廣泛采用陶瓷-輕金屬和陶瓷-復(fù)合材料，作為黑鷹(UH-60)、阿帕奇(AH-64)和支努干(CH-47)等軍用直升機(jī)的防護(hù)裝甲，用較輕便的防護(hù)重量獲得較高的防護(hù)水平。

2016年，中國(guó)陸航的武直10在座艙肩膀兩側(cè)加裝了防彈陶瓷裝甲板，可抗12.7mm大口徑機(jī)槍子彈的打擊，提高了飛行員的防護(hù)能力。目前國(guó)內(nèi)型號(hào)上普遍采用B₄C防彈復(fù)合材料裝甲板作為直升機(jī)駕駛員座椅防護(hù)設(shè)計(jì)，具有防12.7mm穿甲燃燒彈的能力，面密度為45kg/m²左右，可抵御1次打擊，后續(xù)的座椅采用的裝甲基本沿襲這一技術(shù)。但因B₄C陶瓷的韌性較差，抗多次打擊能力不足，而其復(fù)合裝甲背板材料——高密度聚乙烯板雖然有高的強(qiáng)度和韌性，但剛度不足，難以為陶瓷面板提供足夠的支撐，陶瓷的防彈作用無(wú)法得到充分發(fā)揮。所以，非常有必要打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和用材方式，將更輕、更強(qiáng)、更韌的材料應(yīng)用于直升機(jī)防彈系統(tǒng)以提高其抗彈擊能力，滿足提高新一代戰(zhàn)機(jī)的主要作戰(zhàn)任務(wù)。

噴涂是通過(guò)在材料表面制備材料保護(hù)涂層與功能涂層。例如，WC耐磨性好，可以和Ni基材料良好地潤(rùn)濕。在Ni基材料中涂覆WC后，形成WC/Ni層，耐磨性能和硬度明顯好于單純的Ni板。粉體與金屬基體的結(jié)合力更好，噴涂可以制備從超過(guò)50％孔隙缺陷含量到接近完全致密的任意材料的涂層，形成的表面硬質(zhì)致密均勻。當(dāng)材料中不存在明顯的離散界面，材料之間的阻抗變化被減弱，界面剪切耦合特性變好，材料本身易于在金屬表面附著。這有效解決了界面問(wèn)題和阻抗匹配問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲抗彈性能的影響。因此，利用熱噴涂技術(shù)，在輕質(zhì)金屬表面團(tuán)聚燒結(jié)陶瓷-金屬混合物粉體，可以形成高強(qiáng)硬度、高彈性模量的抗彈層。不僅可以在整個(gè)零件表面制備涂層、也可以在表面的有限局部制備涂層，具有良好的靈活性，可以加工大型復(fù)雜構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)抗彈性能進(jìn)一步提升。

發(fā)明內(nèi)容