阅读说明：本技术 一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法 (Light bullet-resistant dot matrix sandwich plate and preparation method thereof ) 是由 刘长猛 徐田秋 黄俊锦 张浩锐 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法,属于材料制备技术领域。本发明中,提高单纯的金属点阵三明治板的抗弹性能需要提高相对密度,但是金属(特别是钢)密度很大,所以提高相对密度的代价较高,将陶瓷填充物填充于金属点阵三明治板里能够利用金属点阵与陶瓷填充物之间的约束作用,在提高抗弹性能的同时减小提高相对密度的代价,从而实现轻质抗弹的性能。(The invention provides a light bullet-resistant dot matrix sandwich plate and a preparation method thereof, and belongs to the technical field of material preparation. In the invention, the relative density needs to be improved when the elasticity resistance of the pure metal lattice sandwich plate is improved, but the metal (particularly steel) density is high, so that the cost for improving the relative density is higher, and the constraint action between the metal lattice and the ceramic filler can be utilized when the ceramic filler is filled in the metal lattice sandwich plate, so that the cost for improving the relative density is reduced while the elasticity resistance is improved, and the light elasticity resistance is realized.)

一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法。

背景技术

目前在抗弹吸能领域，提高单位质量的抗弹吸能能力主要是通过使用材料或者多孔结构。点阵结构就属于多孔材料的一种。但是单一的金属点阵结构要想提高抗弹吸能性能就会在一定程度上提高了相对密度，在提高单位质量的抗弹吸能能力上并没有很明显的提高，即现有技术中没有兼顾轻质和抗弹性能的板材。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法。本发明提供的轻质抗弹点阵三明治板兼顾轻质和抗弹性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种轻质抗弹点阵三明治板，包括上金属面板和下金属面板，所述上金属面板和下金属面板之间均匀分布有金字塔型金属点阵胞元，所述上金属面板的下表面与金字塔型金属点阵胞元的上表面粘连，所述下金属面板的上表面与金字塔型金属点阵胞元的下表面粘连，所述金字塔型金属点阵胞元之间、金字塔型金属点阵胞元与上金属面板和下金属面板的空隙由陶瓷填充物填充。

优选地，所述轻质抗弹点阵三明治板的层数为2～4层。

优选地，所述上金属面板和下金属面板的材质均为钛合金。

优选地，所述金字塔型金属点阵胞元的中心的间距为50～100mm。

优选地，所述金字塔型金属点阵胞元的相对密度为0.05～0.3。

本发明还提供了上述技术方案所述轻质抗弹点阵三明治板的制备方法，包括以下步骤：

在下金属面板上进行电弧3D打印，得到金字塔型金属点阵胞元；

利用电弧3D打印，将所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接，得到半成品；

将陶瓷填充物填充在所述半成品的空隙中，得到所述轻质抗弹点阵三明治板。

优选地，所述在下金属面板上进行电弧3D打印的具体过程为：

进行电弧3D打印，在所述下金属面板上得到四根斜杆，以形成金字塔型金属点阵胞元。

优选地，所述利用电弧3D打印，将所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接的具体过程为：

利用电弧预热所述四根斜杆的上端部，使所述四根斜杆的上端部呈现熔融状态，形成节点，然后将上金属面板开锥形孔，将所述节点与锥形孔配合后，实现所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接。

优选地，所述开锥形孔后，增大电弧力，同时机床沿着圆周轨迹运动，使丝材进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开，形成沉积层。

优选地，所述在下金属面板上进行电弧3D打印时的参数包括：初始阶段峰值电流为250～300A，占空比为10～16％，基值电流为4～6A，层高为0.3～0.6mm，机床移动速度为500～1000cm/min。

本发明提供了一种轻质抗弹点阵三明治板，包括上金属面板和下金属面板，所述上金属面板和下金属面板之间均匀分布有金字塔型金属点阵胞元，所述上金属面板的下表面与金字塔型金属点阵胞元的上表面粘连，所述下金属面板的上表面与金字塔型金属点阵胞元的下表面粘连，所述金字塔型金属点阵胞元之间、金字塔型金属点阵胞元与上金属面板和下金属面板的空隙由陶瓷填充物填充。本发明中，提高单纯的金属点阵三明治板的抗弹性能需要提高相对密度，但是金属(特别是钢)密度很大，所以提高相对密度的代价较高，将陶瓷填充物填充于金属点阵三明治板里能够利用金属点阵与陶瓷填充物相互之间的约束作用，在提高抗弹性能的同时减小提高相对密度的代价，从而实现轻质抗弹的性能。实施例的数据表明，本申请提供的上金属面板厚度为4mm，下金属面板厚度为2mm，金字塔型金属点阵胞元厚度为23mm，长宽均为1m的轻质抗弹点阵三明治板，与质量和长宽相同但厚度不同的实心钛合金板相比，以球形弹丸入射速度600m/s，对三明治板和钢板进行等距离侵彻，侵彻位置均为各板材中心点，对于三明治板，弹丸的出射速度为237m/s，弹道极限是440.26m/s，而对于钛合金板，弹丸的出射速度为338m/s，弹道极限是368.45m/s，对于相同的入射速度，显然三明治板的出射速度更小，弹丸的动能更多的转化成三明治板自身的内能，说明显著地提高了单位质量的抗弹性能，达到了轻质抗弹的目的。

进一步地，本发明还提供了一种轻质抗弹点阵三明治板的制备方法，使用电弧3D打印方法制造金字塔型金属点阵胞元，材料利用率高，能够高效、低成本地完成金字塔型金属点阵胞元的制造，解决了现有制造金属点阵三明治板的方法材料利用率低，加工成本高的问题；使用电弧3D打印方法完成金字塔型金属点阵胞元与上金属面板的连接，连接质量较高，避免了现有技术中使用三维点阵嵌锁工艺结合硬钎焊技术进行制造，不能进行多层夹芯结构的制备，只能进行单层夹芯制备的问题。

附图说明

图1为本发明轻质抗弹点阵三明治板的结构示意图，其中1为金属面板；2为金字塔型金属点阵胞元，3为陶瓷填充物。

具体实施方式

本发明提供了一种本发明提供了一种轻质抗弹点阵三明治板，包括上金属面板和下金属面板，所述上金属面板和下金属面板之间均匀分布有金字塔型金属点阵胞元，所述上金属面板的下表面与金字塔型金属点阵胞元的上表面粘连，所述下金属面板的上表面与金字塔型金属点阵胞元的下表面粘连，所述金字塔型金属点阵胞元之间、金字塔型金属点阵胞元与上金属面板和下金属面板的空隙由陶瓷填充物填充。

图1为本发明轻质抗弹点阵三明治板的结构示意图，其中1为金属面板；2为金字塔型金属点阵胞元，3为陶瓷填充物，所述金属面板包括上金属面板和下金属面板。

在本发明中，所述轻质抗弹点阵三明治板的层数优选为2～4层。

在本发明中，所述上金属面板和下金属面板的材质均优选为钛合金。

在本发明中，所述金字塔型金属点阵胞元的中心的优选间距为50～100mm，更优选为75～98mm。

在本发明中，所述金字塔型金属点阵胞元的相对密度优选为0.05～0.3，更优选为0.14。

在本发明中，所述金字塔型金属点阵胞元的材质优选为钛合金。

在本发明的具体实施例中，所述上金属面板的厚度优选为4mm，下金属面板的厚度优选为2mm，金字塔型金属点阵胞元的厚度优选为23mm或所述上金属面板厚度为3mm，下金属面板厚度为4mm，金字塔型金属点阵胞元厚度为30mm，长宽均为42m。

本发明还提供了上述技术方案所述轻质抗弹点阵三明治板的制备方法，包括以下步骤：

在下金属面板上进行电弧3D打印，得到金字塔型金属点阵胞元；

利用电弧3D打印，将所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接，得到半成品；

将陶瓷填充物填充在所述半成品的空隙中，得到所述轻质抗弹点阵三明治板。

本发明在下金属面板上进行电弧3D打印，得到金字塔型金属点阵胞元。在本发明中，所述在下金属面板上进行电弧3D打印的具体过程优选为：

进行电弧3D打印，在所述下金属面板上得到四根斜杆，以形成金字塔型金属点阵胞元。

在本发明中，所述在下金属面板上进行电弧3D打印时的参数优选包括：初始阶段峰值电流为250～300A，占空比为10～16％，基值电流为4～6A，层高为0.3～0.6mm，机床移动速度为500～1000cm/min。在本发明中，当所述在下金属面板上进行电弧3D打印经过6～10个脉冲周期后，优选调整峰值电流为90～110A，占空比为5％，基值电流为4～6A，层高为0.3～0.6mm，机床移动速度为500～1000cm/min。

在本发明中，所述在下金属面板上进行电弧3D打印时的送丝速度优选为40cm/min～100cm/min，具体根据所需要的成型尺寸决定。

本发明利用电弧3D打印，将所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接，得到半成品。在本发明中，所述利用电弧3D打印，将所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接的具体过程优选为：

利用电弧预热所述四根斜杆的上端部，使所述四根斜杆的上端部呈现熔融状态，形成节点，然后将上金属面板开锥形孔，将所述节点与锥形孔配合后，实现所述金字塔型金属点阵胞元与上金属面板连接。

在本发明中，所述开锥形孔后，优选增大电弧力，同时机床沿着圆周轨迹运动，使丝材进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开，形成沉积层。在本发明中，所述节点与锥形孔配合后的参数优选为：峰值电流为250～300A，占空比为18％～22％，基值电流为10A～15A，机床移动速度为60cm/min。

得到半成品后，本发明将陶瓷填充物填充在所述半成品的空隙中，得到所述轻质抗弹点阵三明治板。本发明对所述填充方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

如图1所示的轻质抗弹点阵三明治板，包括上金属面板和下金属面板，所述上金属面板和下金属面板之间均布有金字塔型金属点阵胞元，上金属面板和下金属面板以及金字塔型金属点阵胞元的材质为钛合金，所述上金属面板的下表面与金字塔型金属点阵胞元的上表面粘连，所述下金属面板的上表面与金字塔型金属点阵胞元的下表面粘连，所述金字塔型金属点阵胞元之间、金字塔型金属点阵胞元与上金属面板和下金属面板的空隙由陶瓷填充物填充。其中上金属面板厚度为4mm，下金属面板厚度为2mm，金字塔型金属点阵胞元厚度为23mm，长宽均为1m；金字塔型金属点阵胞元的中心的间距为98mm，金字塔型金属点阵胞元的相对密度为0.14。

制备工艺如下：

首先是斜杆的制造，在基值时间段里，送丝嘴以恒定的送丝速度(60cm/min)送出丝材，丝材端部戳到熔池后，形成热丝回路，在电阻热的作用下，丝材会升温，同时由于丝材端部戳入到熔池中，也会有一部分热量通过热传导从熔池传递到丝材，此时丝材端部就会形成局部高温，当丝材端部处于熔融状态后，此时的局部熔化段将会在自身的电磁收缩力的作用下在液固相交界处出现缩颈现象，当峰值电流段的电弧来时会对熔池产生力的作用，从而使丝材发生熔断现象，也改变了熔池形貌，从而避免发生丝材在一侧堆积的现象。经过多个周期的增材堆叠后，斜杆将金字塔型预定的生长路径进行生长，工艺参数包括：初始阶段峰值电流为280A，占空比为15％，基值电流为14A，层高0.55mm，机床移动速度1000cm/min，经过9个脉冲周期后调整峰值电流为100A，占空比为5％，其他不变，控形和控性，得到最佳的参数。斜杆的顺序本着不干涉的原则。

接着是金字塔型金属点阵胞元接头的连接，使用电弧预热斜杆端部，从而使得四根斜杆的端部都呈现熔融状态，将上金属面板开孔，普通圆直孔送丝点无法遍布整个孔，为了让钨极正下方的送丝点能够到达孔的任何区域，可通过开锥形孔的方式去实现。由于液态金属的表面张力容易造成缩聚现象，一旦第一层熔池没有充分铺展开，后面的熔池也会在这基础上生长，连接质量会很差，一方面通过提高热输入，增大电弧力，另一方面让机床沿着圆周轨迹运动，工艺参数包括：峰值电流为280A，占空比为20％，基值电流为14A，机床移动速度为60cm/min，让丝材进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开，形成沉积层。完成第一层点阵板的制造接着在上面板进行第二层的制造。

进行大批量生产时，先把所有金字塔型金属点阵胞元打印好，包括接头连接，最后再进行节点和上金属面板的连接，可以大大提高效率。

最后是使用陶瓷填充物填充点阵三明治板里面的空隙。

一般来说，对于一块具有抗弹性能的板，希望抗弹的时候弹丸以相同初速度v_i入射，其出射速度v_r越小越好，即弹丸的弹道冲击极限越大，其板材抗侵彻性能越好。所以可以使用以下指标评定抗弹性能：弹丸的弹道冲击极限。弹丸的弹道冲击极限越大，抗弹性能越好。

对本实施例提供的轻质抗弹点阵三明治板，与质量和长宽相同但厚度不同的实心钛合金板相比，以球形弹丸入射速度600m/s，对三明治板和钛合金板进行等距离侵彻，侵彻位置均为各板材中心点。对于三明治板，弹丸的出射速度为237m/s，弹道极限是440.26m/s,而对于钛合金板板，弹丸的出射速度为338m/s，弹道极限是368.45m/s，对于相同的入射速度，显然三明治板的出射速度更小，弹丸的动能更多的转化成三明治板自身的内能，说明显著地提高了单位质量的抗弹性能，达到了轻质抗弹的目的。

实施例2

如图1所示的轻质抗弹点阵三明治板，包括上金属面板和下金属面板，所述上金属面板和下金属面板之间均布有金字塔型金属点阵胞元，上金属面板和下金属面板以及金字塔型金属点阵胞元的材质为钛合金，所述上金属面板的下表面与金字塔型金属点阵胞元的上表面粘连，所述下金属面板的上表面与金字塔型金属点阵胞元的下表面粘连，所述金字塔型金属点阵胞元之间、金字塔型金属点阵胞元与上金属面板和下金属面板的空隙由陶瓷填充物填充。其中上金属面板厚度为3mm，下金属面板厚度为4mm，金字塔型金属点阵胞元厚度为30mm，长宽均为42m；金字塔型金属点阵胞元的中心的间距为75mm，金字塔型金属点阵胞元的相对密度为0.14。

制备工艺如下：

首先是斜杆的制造，在基值时间段里，送丝嘴以恒定的送丝速度(60cm/min)送出丝材，丝材端部戳到熔池后，形成热丝回路，在电阻热的作用下，丝材会升温，同时由于丝材端部戳入到熔池中，也会有一部分热量通过热传导从熔池传递到丝材，此时丝材端部就会形成局部高温，当丝材端部处于熔融状态后，此时的局部熔化段将会在自身的电磁收缩力的作用下在液固相交界处出现缩颈现象，当峰值电流段的电弧来时会对熔池产生力的作用，从而使丝材发生熔断现象，也改变了熔池形貌，从而避免发生丝材在一侧堆积的现象。经过多个周期的增材堆叠后，斜杆将金字塔型预定的生长路径进行生长，工艺参数包括初始阶段峰值电流为280A，占空比为15％，基值电流为14A，层高0.55mm，机床移动速度1000cm/min，经过9个脉冲周期后调整峰值电流为100A，占空比为5％，其他不变，控形和控性，得到最佳的参数。斜杆的顺序本着不干涉的原则。

接着是金字塔型金属点阵胞元接头的连接，使用电弧预热斜杆端部，从而使得四根斜杆的端部都呈现熔融状态，将上金属面板开孔，普通圆直孔送丝点无法遍布整个孔，为了让钨极正下方的送丝点能够到达孔的任何区域，可通过开锥形孔的方式去实现。由于液态金属的表面张力容易造成缩聚现象，一旦第一层熔池没有充分铺展开，后面的熔池也会在这基础上生长，连接质量会很差，一方面通过提高热输入，增大电弧力，另一方面让机床沿着圆周轨迹运动，工艺参数包括:峰值电流为280A，占空比为20％，基值电流为14A，机床移动速度为60cm/min，让丝材进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开，形成沉积层。完成第一层点阵板的制造接着在上面板进行第二层的制造。

进行大批量生产时，先把所有金字塔型金属点阵胞元打印好，包括接头连接，最后再进行节点和上金属面板的连接，可以大大提高效率。

最后是使用陶瓷填充物填充点阵三明治板里面的空隙。

对本实施例提供的轻质抗弹点阵三明治板，与质量和长宽相同但厚度不同的实心钛合金板相比，以球形弹丸入射速度600m/s，对三明治板和钢板进行等距离侵彻，侵彻位置均为各板材中心点。对于三明治板，弹丸的出射速度为215m/s，弹道极限是560.16m/s，而对于钛合金板，弹丸的出射速度为304m/s，弹道极限是517.29m/s，对于相同的入射速度，显然三明治板的出射速度更小，弹丸的动能更多的转化成三明治板自身的内能，说明显著地提高了单位质量的抗弹性能，达到了轻质抗弹的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。