阅读说明：本技术 一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法 (Metal-ceramic gradient composite armor and preparation method thereof ) 是由 赖建中 曹进峰 陈�光 周捷航 李沛 于 2018-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法,属于装甲技术领域。该复合装甲由金属浇铸陶瓷球而成,从迎弹面至背弹面,陶瓷球按体积梯度减小密实排布,相邻两排的陶瓷球的直径差为1mm,陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3。该装甲的制备过程包括陶瓷表面预处理阶段、陶瓷表面镀银阶段、金属吸铸准备阶段、梯度铸件制备阶段、冷却脱模阶段。本发明优化了层叠复合装甲结构,可以缓和层叠复合装甲界面层间声阻失配和应力集中；可以实现对陶瓷球牢固的周向约束,避免陶瓷碎片崩溅,大大提高复合装甲抗弹能力尤其是抗多发弹的能力。(The invention discloses a metal-ceramic gradient composite armor and a preparation method thereof, belonging to the technical field of armor. The composite armor is formed by casting ceramic balls by metal, the ceramic balls are densely distributed according to the reduction of volume gradient from a bullet-facing surface to a bullet-backing surface, the diameter difference of the ceramic balls in two adjacent rows is 1mm, and the thickness of the ceramic balls accounts for 2/3 of the total thickness of the composite armor. The preparation process of the armor comprises a ceramic surface pretreatment stage, a ceramic surface silver plating stage, a metal suction casting preparation stage, a gradient casting preparation stage and a cooling demolding stage. The laminated composite armor structure is optimized, and the acoustic resistance mismatch and stress concentration between the laminated composite armor interface layers can be alleviated; the method can realize firm circumferential restraint on the ceramic balls, avoid ceramic fragments from being splashed, and greatly improve the anti-bullet capability of the composite armor, particularly the multi-bullet resistance capability.)

一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属-陶瓷梯度复合装甲及其制备方法，具体涉及制备一种具有功能梯度及密度梯度的金属浇铸陶瓷球的梯度复合装甲，属于装甲技术领域。

背景技术

传统的陶瓷复合装甲主要以陶瓷作为面板，以金属或纤维作为背板，两者胶接。这种应用形式兼顾两种材料的优点，避免了各自的缺点。即利用陶瓷的高硬度和高弹性模量来达到装甲的抗侵彻能力，利用金属或纤维的延展性和韧性来达到装甲的抗冲击和抗崩落能力。面板可以破碎并磨蚀钝化弹体，背板可以捕获陶瓷碎片和残余弹片，发生变形以吸收残余动能。

但是，这种通过简单粘接的层叠复合结构，一方面由于不同材料在粘接界面处硬度、弹性模量、密度、韧性等存在较大差异，致使层间声阻失配和应力集中。入射的压力波在界面处分解出的反射拉伸波和横向剪切应力导致陶瓷面板进一步破碎，更加严重的是面板和背板粘接面会出现较大区域明显开裂和分层现象。从而复合装甲抗多发弹能力受到较大的影响。另一方面，陶瓷复合装甲中周边约束措施的缺失，致使装甲抗崩落能力大大降低。陶瓷在冲击压缩波和拉伸波的共同作用下断裂后发生崩落，为弹体的继续侵彻让出了道路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度复合装甲及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属-陶瓷梯度复合装甲，该复合装甲由金属浇铸陶瓷球而成。

所述的梯度复合装甲，从迎弹面至背弹面，陶瓷球呈密实排布，陶瓷球的体积呈梯度减小，相邻两排的陶瓷球的直径差为1mm。

所述的梯度复合装甲，陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3。

所述的梯度复合装甲，陶瓷球表面经丝网印刷镀银处理。

所述的梯度复合装甲，从迎弹面至背弹面，陶瓷球呈密实排布2~4层。

所述的梯度复合装甲，金属浇铸陶瓷球中的金属选自铝、铝合金中的一种。

所述的梯度复合装甲，陶瓷球材质选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷中的一种，经过优选，陶瓷球材质为碳化硼、碳化硅、碳化钛、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氮化硅陶瓷中的一种，陶瓷球直径范围为1~20mm。

上述结构的金属-陶瓷梯度复合装甲的制备方法，包括如下步骤：

S1，将经预处理的陶瓷球丝网印刷镀银膜；

S2，镀银膜后的陶瓷球按从迎弹面至背弹面，陶瓷球的体积呈梯度减小密实排布至模具中，相邻两排的陶瓷球的直径差为1mm；

S3，反重力真空吸铸熔融的金属至铸模中；

S4，成型后脱模。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

（1）本发明梯度复合装甲缓和了层叠复合装甲界面层间声阻失配和应力集中。使得陶瓷与金属材料实现了紧密结合，很好地解决了陶瓷面板和背板的适配问题以及层间的粘结强度问题；

（2）本发明梯度复合装甲实现了对陶瓷球牢固的周向约束，避免了陶瓷碎片的崩溅，大大提高了复合装甲抗弹能力尤其是抗多发弹的能力；

（3）本发明梯度复合装甲有利于子弹撞击时产生偏转效果从而减少垂直射击方向的作用力。相邻陶瓷球之间的摩擦阻力具有降低弹体侵彻深度的作用；

（4）本发明梯度复合装甲有效的提高了装甲的防护系数，采用密度较小的陶瓷和金属材料，具有质轻、耐用的特点，特别适用于制作单兵作战防弹板以及轻质防护装甲；

（5）本发明梯度复合装甲制造成本低廉，采用反重力真空吸铸法，制造工艺简单，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明子弹和梯度复合装甲结构示意图。图中，12-梯度复合装甲；13-金属基体；8-陶瓷球；14-弹体。

图2为本发明梯度复合装甲的具体制备工艺流程图。

图3为本发明梯度复合装甲的具体制备设备结构示意图。

图中，1-反重力铸造上室；2-反重力铸造下室；3-第二垫板；4-第一垫板；5-铸件；6-气体阀门；7-铸模；8-陶瓷球；9-坩埚；10-分段式电炉；11-升液管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的各种技术方案进行详细描述。

本发明采用金属浇铸沿厚度方向体积呈梯度变化的陶瓷球制备梯度复合材料。大大缓和材料界面处的应力集中，同时金属浇铸陶瓷球相当于以一种封装的形式最大程度地约束了陶瓷球，从而使梯度复合装甲具有优异的抗多弹侵彻性能。侵彻过程中，陶瓷由于金属的约束，尽管发生破碎却不会崩落。进一步侵彻时没有空间给弹体让路，弹体需花费更多的能量来粉碎前进方向上陶瓷直至陶瓷粉碎至一定程度后，弹体还需将粉碎的陶瓷沿与侵彻相反的方向挤出后方可继续进行接下来的侵彻过程。由于一个个陶瓷球密实排布使得原本在动态冲击下陶瓷面板出现大面积损伤裂纹的现象不复存在，众多陶瓷球之间既相互约束又各自独立存在，大大提高抗多发弹侵彻的性能。

如图2，本发明所述的金属浇铸陶瓷球的梯度复合装甲制备方法，包括如下步骤：

（1）陶瓷表面预处理阶段：

1.除油：无水乙醇溶液浸泡15min后，陶瓷球置于去离子水中超声波清洗10min并自然干燥。

2.粗化：用分析纯氢氟酸和蒸馏水配置成质量分数为25％的HF溶液，将陶瓷球浸泡其中30min进行粗化处理。

3.敏化：用含有SnCl₂·H₂O和HCl的敏化溶液常温浸泡5min。

4.活化：用含有PdCl₂和HCl的活化溶液浸泡3min。

5.还原：用含有NaH₂PO₂·H₂O的还原液浸泡2min，还原陶瓷球表面残留的Pd²⁺。

6.干燥：去离子水清洗后自然晾干。

（2）陶瓷表面镀银阶段：

取适量的银浆涂于丝网印刷板上，陶瓷球置于丝网印刷板之下，用刷子使银浆透过丝网均匀印刷于陶瓷球表面。丝网目数为200目，印刷时刷子与丝网的角度为45°。将印刷好的陶瓷球置于85℃的烘箱中10~20min，直至浆料被烘干。然后取出陶瓷球置于高温炉中，升温至560℃烧结0.5h后降至室温，升温和降温速度均为5℃/min。

上述步骤中的敏化过程使陶瓷表面形成一层具有还原作用的还原液体膜。当吸附有Sn的陶瓷表面接触到Pd活化液时，Pd会被Sn还原而沉积到非金属表面形成活化中心。经过预处理的陶瓷球弥补了陶瓷本身对金属的化学还原不具催化活性的缺点，增加了陶瓷表面的粗糙度，通过活化使表面形成了活化中心，从而利于丝网印刷的进行。丝网印刷烧结过后，陶瓷球表面形成结合牢靠的银膜。浇铸时金属与银膜产生紧密结合，两者热膨胀系数相近，相互润湿，相容性强。这样陶瓷、银膜、金属三者之间界面结合强度高，有利于提高靶板的抗侵彻性能和抗崩落性能。

（3）金属吸铸准备阶段：

如图3，首先在铸模7壁上涂一层石墨粉和汽油混合物，便于脱模。其次，在反重力铸造上室1的第一垫板4上，将预处理好的陶瓷球8以设计好的体积梯度排列于铸模7内。然后将第二垫板3水平安置在最顶层的陶瓷球上方使陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3并与铸模7固定。接着打开分段式电炉10分别对反重力铸造上室1和反重力铸造下室2进行预热，同时将金属材料加热至熔融状态。第一垫板4是孔径为1.5~2.5mm、厚度为25mm的多孔陶瓷板，第二垫板3是孔径为0.8~1.2mm、厚度为15mm的多孔陶瓷板。

（4）梯度铸件制备阶段：

如图3，将熔融液态金属材料转移到反重力铸造下室2的坩埚9内并通过分段式电炉10进行保温。打开分子泵以及上室下室的气体阀门6，使反重力铸造上室1的铸模7内的真空度保持在0.01~0.04MPa范围内，反重力铸造下室2保持常压。利用反重力真空吸铸法在负压的作用下使熔融金属沿着升液管11渗透过第一垫板4并进入到陶瓷球8的间隙中。待得间隙被完全填充，熔融金属渗过第二垫板3，关闭分子泵和反重力铸造上室1和反重力铸造下室2的气体阀门6。在浇铸过程中保持陶瓷球8的堆积方式不发生改变。在反重力真空吸铸法中，合金液充填铸型的驱动力与重力方向相反,合金液沿反重力方向流动，在重力和外加动力的双重作用下填充铸型。该方法充型平稳，压力和充型速度调节可控，铸件5在真空度高的腔室内，不易形成气孔、氧化夹杂等缺陷，铸件5在压力下成型，内部质量好。

（5）冷却脱模阶段：

采用2步冷却法，先在电炉10内随炉冷却至T₁，其中冷却速度小于30℃· h^-1，然后保温30min，取出铸模7在室温下继续自然冷却。室温下保持6~12个小时后脱模取出铸件5并进行后处理。其中，T₁温度下需要保证材料能够通过塑性变形而完全处于松弛状态，从而缓解甚至消除先前降温导致的应力。其中，第一阶段随炉冷却，冷却速度较小以及保温30min，都是为了保证金属有足够时间通过塑性变形来缓解甚至消除内部压力，第二阶段冷却速度较大，使金属塑性变形极小，主要发生弹性变形，对陶瓷产生弹性压力。

制备完成的梯度复合装甲板进打靶侵彻实验。

陶瓷球相较于陶瓷板可以有效的阻止抗冲击时裂纹的延伸，每一颗陶瓷球都要重新经历裂纹萌生和发展的阶段，可以充分的吸收能量。陶瓷球具有一定曲率，有利于子弹撞击时产生偏转效果从而减少垂直射击方向的作用力。相邻陶瓷球之间的空隙有利于熔融金属液体的充填，相邻陶瓷球之间的摩擦阻力具有降低弹体侵彻深度的作用。图1所示的梯度复合装甲12是由陶瓷球8和金属基体13构成，其中，从迎弹面至背弹面方向分别由直径大小为5mm、4mm、3mm、2mm的陶瓷球8呈体积梯度减小密实排列。弹体14侵彻过程中，冲击应力从大的陶瓷球向下一层小的陶瓷球层层传递，最终避免裂纹快速扩展的同时把应力分散到了较大的区域所致使陶瓷破碎区变大，可以发挥陶瓷球相比于陶瓷板的优势，最大限度的墩粗和破碎子弹，提高靶板抗冲击能力和抗多发弹侵彻的能力。陶瓷球排列紧凑，能够在子弹侵彻最后阶段充分发挥破碎的陶瓷颗粒与子弹的磨蚀作用，提高靶板抗多发弹侵彻的能力。

实施例一

将直径分别为5mm、4mm、3mm、2mm的碳化硅陶瓷球在无水乙醇溶液浸泡15min除油后，置于去离子水中进行超声波清洗10min并自然干燥。用分析纯氢氟酸和蒸馏水配置成质量分数为25％的HF溶液，将陶瓷球浸泡其中30min进行粗化处理。用含有SnCl₂·H₂O和HCl的敏化溶液常温浸泡5min。用含有PdCl₂和HCl的活化溶液浸泡3min。用含有NaH₂PO₂·H₂O的还原液浸泡2min。去离子水清洗后自然晾干。取适量的银浆涂于丝网印刷板上，陶瓷球置于丝网印刷板之下，用刷子使银浆透过丝网均匀印刷于陶瓷球表面。将印刷好的陶瓷球置于85℃的烘箱中10~20min，直至浆料被烘干。然后取出陶瓷球置于高温炉中，升温至560℃烧结0.5h后降至室温，升温和降温速度均为5℃/min。

首先在铸模壁上涂一层石墨粉和汽油混合物，便于脱模。将预处理好的陶瓷球按设计好的体积梯度排列于第一垫板上密实排布，由直径大小为5mm、4mm、3mm、2mm的陶瓷球分层堆叠梯度排列，排布方式如图1，其中第一垫板孔径为1.6mm，厚度为25mm。放置完毕后在最上层陶瓷球上方固定有一片孔径为0.8mm，厚度为15mm的多孔陶瓷板，为第二垫板，使陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3并与铸模固定。打开分段式电炉对陶瓷球进行预热，预热温度为400~600℃。

通过分段式电炉将下室的坩埚、升液管加热到665℃。。

将加热至熔融的7039铝合金金属液转移到下室坩埚内并通过电炉进行保温，温度保持在670~760℃。

打开分子泵以及上室下室的气体阀门，使上室铸模内的真空度保持在0.01~0.04MPa范围内，下室保持常压。在负压的作用下利用反重力真空吸铸法使熔融7039铝合金金属液沿着升液管渗透过第一垫板并进入到陶瓷球的间隙中。

待得陶瓷球间隙被完全填充，熔融金属渗过第二垫板关闭分子泵和上室下室的气体阀门。在浇铸过程中保持陶瓷球的堆积方式不发生改变。

采用2步冷却法，调节电炉温度使上室铸型内铸件降温至T₁(420℃)，然后保温1h。

取出铸型室温下继续降温直至室温。室温下保持6~12个小时后脱模取出铸件并进行后处理。

制备完成的梯度复合装甲板进打靶侵彻实验。实验结果表明此复合靶板完全能抵抗住12.7mm穿甲弹880m/s的打击，正面有较深的弹坑，背面凸起6.8mm没有裂纹，属于合格装甲。弹着点附近陶瓷完全粉碎，弹道有轻微偏转。离弹着点越远，陶瓷球破碎而成的颗粒数越少，颗粒越大。每一颗陶瓷球需重新经历裂纹的萌生，因而破碎区不大。陶瓷颗粒被金属包覆约束，未发生崩落。

实施例二

将直径分别为20mm、19mm的氧化铝陶瓷球在无水乙醇溶液浸泡15min除油后，置于去离子水中进行超声波清洗10min并自然干燥。用分析纯氢氟酸和蒸馏水配置成质量分数为25％HF的溶液，将陶瓷球浸泡其中30min进行粗化处理。用含有SnCl₂·H₂O和HCl的敏化溶液常温浸泡5min。用含有PdCl₂和HCl的活化溶液浸泡3min。用含有NaH₂PO₂·H₂O的还原液浸泡2min。去离子水清洗后自然晾干。取适量的银浆涂于丝网印刷板上，陶瓷球置于丝网印刷板之下，用刷子使银浆透过丝网均匀印刷于陶瓷球表面。将印刷好的陶瓷球置于85℃的烘箱中10~20min，直至浆料被烘干。然后取出陶瓷球置于高温炉中，升温至560℃烧结0.5h后降至室温，升温和降温速度均为5℃/min。

首先在铸模壁上涂一层石墨粉和汽油混合物，便于脱模。将预处理好的陶瓷球按设计好的体积梯度排列于第一垫板上稳定排布，由直径大小为20mm、19mm的陶瓷球分层堆叠梯度排列，其中第一垫板孔径为2.5mm，厚度为25mm。放置完毕后在最上层陶瓷球上方固定有一片孔径为1.2mm，厚度为15mm的多孔陶瓷板，为第二垫板，使陶瓷球厚度占复合装甲总厚度的2/3并与铸模固定。打开分段式电炉对陶瓷球进行预热，预热温度为400~600℃。

通过分段式电炉将下室的坩埚、升液管加热到665℃。

将加热至熔融的7039铝合金金属液转移到下室坩埚内并通过电炉进行保温，温度保持在670~760℃。

打开分子泵以及上室下室的气体阀门，使上室铸模内的真空度保持在0.01~0.04MPa范围内，下室保持常压。在负压的作用下利用反重力真空吸铸法使熔融7039铝合金金属液沿着升液管渗透过第一垫板并进入到陶瓷球的间隙中。

待得陶瓷球间隙被完全填充，熔融金属渗过第二垫板关闭分子泵和上室下室的气体阀门。在浇铸过程中保持陶瓷球的堆积方式不发生改变。

采用2步冷却法，调节电炉温度使上室铸型内铸件降温至T₁(420℃)，然后保温1h。

取出铸型室温下继续降温直至室温。室温下保持6~12个小时后脱模取出铸件并进行后处理。

制备完成的梯度复合装甲板进打靶实验。实验结果表明此复合靶板完全能抵抗住12.7mm穿甲弹880m/s的打击，正面有较深的弹坑，背面凸起10.2mm没有裂纹，属于合格装甲。弹着点附近陶瓷完全粉碎，弹道有轻微偏转。离弹着点越远，陶瓷球破碎而成的颗粒数越少，颗粒越大。每一颗陶瓷球需重新经历裂纹的萌生，因而破碎区不大。陶瓷颗粒被金属包覆约束，未发生崩落。

本发明所述的金属-陶瓷梯度复合装甲为解决上述问题提供了一条有效的途径。相较于陶瓷颗粒增强金属基复合装甲，金属-陶瓷梯度复合装甲有明显的高硬度面板和强韧性背板，在保证抗崩落性能的同时提高了抗侵彻性能。相较于传统的层叠复合结构，金属-陶瓷梯度复合装甲中陶瓷与金属材料实现了良好的结合，很好地解决陶瓷面板和背板的适配问题以及层间的粘结强度问题，材料界面处的应力集中大大缓和。本发明中的金属-陶瓷梯度复合装甲，陶瓷球具有一定曲率，在子弹侵彻靶板的实验中有利于子弹撞击时产生偏转的效果从而减少垂直射击方向的作用力，提高靶板的抗多发弹能力。相邻陶瓷球之间的摩擦阻力具有降低弹体侵彻深度的作用，有利于提高靶板的坑侵彻和抗冲击能力。同时金属对陶瓷球实现牢固的周向约束，避免陶瓷碎片崩溅，大大提高复合装甲抗弹能力尤其是抗多发弹的能力。