一种层状复合板材及其制备方法和用途
阅读说明：本技术 一种层状复合板材及其制备方法和用途 (Layered composite board and preparation method and application thereof ) 是由 姚力军 潘杰 王玉辉 韩刚 任世峰 王钜宝 李超 曹欢欢 周友平 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种层状复合板材及其制备方法和用途,所述层状复合板材包括碳化硼板,以及设置于碳化硼板两侧的金属板；所述金属板包括铝板,或铝板与钛板的组合；所述制备方法包括：碳化硼板和金属板组合的组合件依次经包套处理,除热气处理,350～550℃、压力100～200MPa条件下热等静压处理和二次加工,得到所述层状复合板材。所述层状复合板材具有高强、高塑和具有一定韧性的优势,能够较好的应用在装甲防弹技术领域中。(The invention provides a layered composite board and a preparation method and application thereof, wherein the layered composite board comprises a boron carbide board and metal boards arranged on two sides of the boron carbide board; the metal plate comprises an aluminum plate or a combination of an aluminum plate and a titanium plate; the preparation method comprises the following steps: and sequentially carrying out sheath treatment, hot isostatic pressing treatment and secondary processing on the combined assembly of the boron carbide plate and the metal plate at 350-550 ℃ and under the pressure of 100-200 MPa to obtain the layered composite plate. The layered composite board has the advantages of high strength, high plasticity and certain toughness, and can be better applied to the technical field of armor bulletproof.)
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及板材制备技术领域，特别涉及一种层状复合板材及其制备方法和用途。
背景技术
目前高性能、轻量化已成为陶瓷复合装甲的主要发展趋势。装甲防弹材料应具备高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成本。传统金属防弹材料由于其密度大，使用过厚的钢板装甲，对于车辆、船舶和飞机来说就必需牺牲有效载荷，同时，过重的装甲材料有降低了其操控性和灵活性。因此，轻质装甲材料是目前研究和发展的重点和趋势。
陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性能优异、热膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，陶瓷材料具备吸能效应、磨损效应、动力学效应等。B4C陶瓷具有高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼，约30GPa)和低密度(2.52g·cm-3)，但是单一B4C陶瓷韧性差，影响了其在军事领域的广泛应用。
CN213481135U公开了一种碳化硼基防弹插板，所述防弹插板的中部设置有防弹钢板，所述防弹钢板的正面从内到外依次设置有高密度聚乙烯层Ⅰ、碳纤维布层Ⅰ、碳化硼陶瓷层Ⅰ、碳纤维布层Ⅱ、玻璃钢层、芳纶纤维层、碳化硼陶瓷层Ⅱ和碳纤维布层Ⅲ，所述防弹钢板的背面从内到外依次设置有高密度聚乙烯层Ⅱ、碳纤维布层Ⅳ、碳化硼陶瓷层Ⅲ。但所述防弹插板较难实现有机层与陶瓷层的复合，存在容易开裂的问题。
CN108997015A公开了一种碳化硼基防弹陶瓷复合材料，所述碳化硼基防弹陶瓷复合材料的制备方法包括步骤1、按比例称取各原料，进行球磨混合，喷雾干燥后得到预混粉；步骤2、将碳化硼粉加入溶剂中，在水浴中恒温浸泡，再加热，得到粉料；步骤3、将步骤2所得的粉料与二硅化钼、工业硅粉进行球磨混合后，喷雾干燥，得到粉体；步骤4、将步骤1中所得预混粉与步骤3中所得粉体混合，干压成型，然后真空烧结得到碳化硼基防弹陶瓷复合材料。但该方法需要采用粉料进行最终产品的制备，制备成本高，而且虽然可以具备一定韧性，但是其硬度较单一B4C陶瓷材料差很多，防弹效果较差。
CN105135947A公开了一种包含梯度分布的泡沫铝层的轻质复合防弹板，所述轻质复合防弹板由面板和背板通过胶粘剂粘合在一起，该面板为陶瓷板；背板包括纤维增强树脂基复合材料层和泡沫铝层；该泡沫铝层呈梯度分布且置于两层纤维增强树脂基复合材料层之间，通过胶粘剂粘合在一起，该泡沫铝层的孔隙率沿着弹体入射方向逐渐减小。但该防弹板中采用胶粘剂粘接，存在强度弱点，而且泡沫铝孔径大的部分，就成为了薄弱环节，防弹性大打折扣。
因此，需要开发一种制备工艺简单且防弹效果优良的防弹板材。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种层状复合板材及其制备方法和用途，所述层状复合板材解决了单一碳化硼板韧性低且烧结性能差的难题，所述制备方法通过热等静压方式制得的层状复合板材具有高强高塑和优良韧性的优势，在装甲防弹领域具有广泛的应用基础。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种层状复合板材，所述层状复合板材包括碳化硼板，以及设置于碳化硼板两侧的金属板；所述金属板包括铝板，或铝板与钛板的组合。
本发明通过将金属板与陶瓷板复合，从根本上克服了单一陶瓷材料作为防弹材料时低韧性的问题，利用铝板和/或钛板作为复合面，增加防弹材料的强韧性，提高抗击弹丸的能力，延迟陶瓷断裂时间，提高断裂耗能和抗弹阻力。
优选地，所述碳化硼板的厚度为3～25mm，例如可以是3mm、5mm、8mm、10mm、12mm、14mm、17mm、19mm、21mm、23mm或25mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铝板的厚度≤3mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm、1.9mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm或3mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述钛板的厚度≤3mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm、1.9mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm或3mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有第一铝板、碳化硼板和第二铝板。
优选地，所述第一铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第一钛板。
优选地，所述第一铝板、碳化硼板和第二铝板的横截面积相当。
优选地，所述第一钛板与碳化硼板的横截面积相当。
优选地，所述第二钛板与碳化硼板的横截面积相当。
优选地，在所述第一铝板远离碳化硼板的一侧设置第一钛板时，所述第一铝板的厚度为0.01～1mm，例如可以是0.01mm、0.12mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二铝板远离碳化硼板的一侧还设置有第二钛板。
优选地，在所述第二铝板远离碳化硼板的一侧设置第二钛板时，所述第二铝板的厚度为0.01～1mm，例如可以是0.01mm、0.12mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述碳化硼板由至少两块碳化硼件组成。本发明进一步优选采用至少两块碳化硼件构成的碳化硼板，在横截面上设置时可在碳化硼之间留有间隙，从而弥补铝、钛和碳化硼之间的热膨胀系数，降低制备过程中碳化硼板自身产生裂纹的可能性。本发明对所述碳化硼件的形状没有特殊限制，可以是方形、三角形或多边形等，只要其排列后形成的横截面积与中间铝板的横截面积相当即可。
优选地，相邻所述碳化硼件之间的间隙为0.01～0.5mm，例如可以是0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述层状复合板材包括至少两层碳化硼板，每一层碳化硼板之间设置有中间铝板。
优选地，所述碳化硼板由至少两块碳化硼件组成时，所述中间铝板的厚度为0.01～1mm，例如可以是0.01mm、0.12mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。本发明优选中间铝板采用类似铝箔的轻薄材质，从而能够在高温高压下更好地提高层状复合板材的性能。
优选地，在碳化硼板远离中间铝板的一侧设置有外侧铝板。
优选地，所述外侧铝板的厚度≥中间铝板的厚度。
本发明所述层状复合板材的制备方法可采用热压或热等静压的方式进行，优选采用本发明第二方面提供的制备方法进行，具有更佳的产品性能。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：碳化硼板和金属板组合的组合件依次经包套处理，除热气处理，350～550℃、压力100～200MPa条件下热等静压处理和二次加工，得到所述层状复合板材。
本发明通过采用热等静压的方式实现碳化硼板与金属板的复合，使碳化硼与钛或铝的交界面在高温高压环境下实现晶粒扩散，从而提高碳化硼表界面的韧性，而钛的加入能够更好地提高强度，铝能够层状复合板材的韧性，最终达到提高产品性能的目的。
本发明中热等静压的温度为350～550℃，例如可以是350℃、360℃、400℃、450℃、480℃、500℃、520℃或550℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中热等静压的压力为100～200MPa，例如可以是100MPa、110MPa、112MPa、115MPa、120MPa、128MPa、130MPa、135MPa、145MPa、150MPa、160MPa、170MPa或200MPa等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中温度和压力的选择十分关键，针对碳化硼板、铝板和钛板而言，仅在350～550℃以及100～200MPa条件下能够实现较好的扩散焊接和晶界融合，最终产品的防裂效果更佳。
优选地，所述包套处理的包套材料包括铝包套、钛包套或不锈钢包套中的任意一种。
优选地，所述除热气处理的温度为350～550℃，例如可以是350℃、360℃、400℃、450℃、500℃、520℃或550℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述除热气处理的时间为0.5～10h，例如可以是0.5h、1.0h、2.0h、3.0h、4.0h、5.0h、6.0h、7.0h、9h或10h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压处理的保温时间为0.5～10h，例如可以是0.5h、1.0h、2.0h、3.0h、4.0h、5.0h、6.0h、7.0h、9h或10h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，在所述热等静压处理与二次加工之间，还包括去除包套处理。
优选地，所述二次加工包括磨边处理和表面抛光处理。
本发明对所述磨边处理和表面抛光处理的工艺方法和参数不做特殊限定，可采用本领域技术人员熟知的任何可用于磨边处理和表面抛光处理的方法和工艺参数，也可根据实际工艺进行调整。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
碳化硼板和金属板组合的组合件依次经包套处理、350～550℃除热气处理0.5～10h、350～550℃以及压力100～200MPa条件下热等静压处理并保温0.5～10h、磨边处理和表面抛光处理，得到所述层状复合板材。
第三方面，本发明提供一种根据第一方面所述的层状复合板材在汽车工业、航空航天或防护领域中的用途。
本发明所述层状复合板材在遭受子弹冲击时不易产生裂纹，具有较好地韧性和强度，可广泛应用在汽车工业、航空航天或装甲防弹等防护领域中。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的层状复合板材通过将碳化硼板与钛板和/或铝板复合，解决了单一碳化硼板韧性较低的问题，在测试过程中产生的裂纹减少，而且采用板材直接复合，相比粉状材料的复合而言，由于具有单一碳化硼板的优势，强度明显更高；而且相邻层在成分、厚度、晶粒尺寸、晶体结构以及晶体取向等方面均可调可控，在微结构优化上具有较大的空间；
(2)本发明提供的层状复合板材的制备方法通过严格控制热等静压的温度和压力，实现了铝板和/或钛板与碳化硼板的直接扩缩复合，制备工艺简单且产品性能优良；
(3)本发明提供的层状复合板材可将各组元材料的优势协同发挥，兼具轻质、高强、高韧、热稳定、抗辐照、耐磨损和抗疲劳等性能，可作为结构材料应于汽车工业、航空航天或防护等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的层状复合板材结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的层状复合板材实物图。
图3是本发明实施例2提供的层状复合板材结构示意图。
图4是本发明实施例3提供的层状复合板材结构示意图。
图5是本发明实施例4提供的层状复合板材结构示意图。
其中：11-碳化硼板；12-第一铝板；13-第二铝板；14-第一钛板；15-第二钛板；21-中间铝板；22-第一碳化硼板；23-第二碳化硼板；24-第一外侧铝板；25-第二外侧铝板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
实施例1
本实施例提供一种层状复合板材，如图1所示，所述层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有3mm厚的第一铝板12、8mm厚的碳化硼板11和3mm厚的第二铝板13。
本实施例还提供所述层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)碳化硼板11经磨抛、清洗和烘干，待用；第一铝板12和第二铝板13进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在酒精中进行震荡清洗，去除油污等，烘干后待用；
(2)所述碳化硼板11、第一铝板12和第二铝板13按照上述结构组合的组合件依次包套处理，包套材料采用Al包套，再经450℃除热气处理5h、500℃以及压力120MPa条件下热等静压处理并保温6h，热等静压后的样品经去包套处理后再一次经磨边处理和表面抛光处理，得到如图2所示的所述层状复合板材。
实施例2
本实施例提供一种层状复合板材，如图3所示，所述层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有2mm厚的第一钛板14、0.5mm厚的第一铝板12(铝箔)、6mm厚的碳化硼板11、0.5mm厚的第二铝板13(铝箔)和2mm厚的第二钛板15。
本实施例还提供所述层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)碳化硼板11经磨抛、清洗和烘干，待用；第一钛板14和第二钛板15进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在丙酮溶液中进行震荡清洗，去除油污等，烘干后待用；
(2)所述碳化硼板11、第一铝板12、第二铝板13、第一钛板14和第二钛板15按照上述结构组合的组合件依次包套处理，包套材料采用钛包套，再经550℃除热气处理10h、550℃以及压力200MPa条件下热等静压处理并保温10h，热等静压后的样品经去包套处理后再一次经磨边处理和表面抛光处理，得到所述层状复合板材。
实施例3
本实施例提供一种层状复合板材，如图4所示，所述层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有3mm厚的第一外侧铝板24、5mm厚的第一碳化硼板22、3mm厚的中间铝板21、5mm厚的第二碳化硼板23和3mm厚的第二外侧铝板25。
本实施例还提供所述层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)第一碳化硼板22和第二碳化硼板23经磨抛、清洗和烘干，待用；第一外侧铝板24、第二外侧铝板25和中间铝板21进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在丙酮溶液中进行震荡清洗，去除油污等，烘干后待用；
(2)所述第一碳化硼板22、第二碳化硼板23、第一外侧铝板24、第二外侧铝板25和中间铝板21按照上述结构组合的组合件依次包套处理，包套材料采用Al包套，再经350℃除热气处理10h、350℃以及压力100MPa条件下热等静压处理并保温10h，热等静压后的样品经去包套处理后再一次经磨边处理和表面抛光处理，得到所述层状复合板材。
实施例4
本实施例提供一种层状复合板材，如图5所示，所述层状复合板材自一侧向另一侧依次设置有3mm厚的第一外侧铝板24、6mm厚的第一碳化硼板22、0.7mm厚的中间铝板21、6mm厚的第二碳化硼板23和3mm厚的第二外侧铝板25，所述第一碳化硼板22和第二碳化硼板23均由5块形状大小相同的在横截面上并列设置的碳化硼件构成，所述碳化硼件为矩形，所述第一碳化硼板22和第二碳化硼板23排列后分别所占的横截面积与中间铝板21的横截面积相当，相邻所述碳化硼件之间的间隙为0.1mm。
本实施例还提供所述层状复合板材的制备方法，所述制备方法包括：
(1)碳化硼板经磨抛、清洗和烘干，待用；第一外侧铝板24和第二外侧铝板25进行喷砂处理去除表面氧化层，喷砂后的样本在酒精中进行震荡清洗，去除油污等，烘干后待用；
(2)所述第一碳化硼板22、第二碳化硼板23、第一外侧铝板24、第二外侧铝板25和中间铝板21按照上述结构组合的组合件依次包套处理，包套材料采用Al包套，再经400℃除热气处理0.5h、450℃以及压力100MPa条件下热等静压处理并保温0.5h，热等静压后的样品经去包套处理后再一次经磨边处理和表面抛光处理，得到所述层状复合板材。
实施例5
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除碳化硼板为整块碳化硼板外，其余均与实施例4相同。
实施例4和实施例5对比而言，实施例4中由于采用分块碳化硼件组成的碳化硼板，能弥补在高温条件下其与铝板热膨胀系数不同的部分，降低了制备过程中层状复合板材产生裂纹的情况。
实施例6
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除第一铝板和第二铝板的厚度均为8mm外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除第一钛板和第二钛板的厚度均为5mm外，其余均与实施例2相同。
实施例8
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除不设置第一钛板和第二钛板外，其余均与实施例2相同。
实施例9
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除将第一钛板和第二钛板均替换为不锈钢板外，其余均与实施例2相同。
实施例10
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除制备方法中步骤(2)的“550℃以及压力200MPa条件下热等静压处理并保温10h”替换为“300℃以及压力200MPa条件下热等静压处理并保温10h”外，其余均与实施例2相同。
实施例11
本实施例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除制备方法中步骤(2)的“550℃以及压力200MPa条件下热等静压处理并保温10h”替换为“550℃以及压力50MPa条件下热等静压处理并保温10h”外，其余均与实施例2相同。
对比例1
本对比例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除将第一铝板和第二铝板均替换为不锈钢板外，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种层状复合板材，所述层状复合板材除将第一铝板和第二铝板均替换为钛板外，其余均与实施例1相同。
测试方法：将上述实施例和对比例制得的层状复合板材进行模拟击穿实验，采用50×135(L)mm×2.0kg的弹丸，最大速度200±20m/s，判断其是否产生裂纹，结果如表1所示。
表1
样品
实验结果
实施例1
无裂纹，小部分凸起
实施例2
无裂纹，无凸起
实施例3
无裂纹，无凸起
实施例4
无裂纹，无凸起
实施例5
无裂纹，无凸起
实施例6
小部分裂纹，小部分凸起
实施例7
无裂纹，小部分凸起
实施例8
无裂纹，部分凸起
实施例9
无裂纹，小部分凸起
实施例10
小部分裂纹，小部分凸起
实施例11
小部分裂纹，小部分凸起
对比例1
产生裂纹，大部分凸起
对比例2
产生裂纹，小部分凸起
从表1可以看出以下几点：
(1)综合实施例1～11可以看出，本发明提供的层状复合板材，解决了单一碳化硼板韧性较低的问题，在测试过程中产生的裂纹减少，且复合钛板的产品仅产生小部分凸起，塑性、韧性和强度均得到提升；
(2)综合实施例1和实施例6，实施例2和实施例5可以看出，钛板和铝板的厚度对于最终产品的性能有较大影响，本发明通过将钛板和铝板的厚度控制特定范围内，显著减少了最终层状复合板材的凸起和裂纹情况；
(3)综合实施例2、实施例8～9可以看出，本发明通过增设钛板，能够提高产品的强度，从而在测试过程中能够减少凸起；
(4)综合实施例2、实施例10～11可以看出，实施例2中通过采用550℃以及压力200MPa条件进行热等静压，相较于实施例10中温度为300℃，实施例11中压力为50MPa而言，实施例2中无裂纹，无凸起，而实施例9～10的测试结果均具有小部分裂纹和小部分凸起，由此表明，本发明通过进一步优选特定的温度和压力，进一步减少了最终层状复合板材的凸起和裂纹情况；
(5)综合实施例1和对比例1～2可以看出，实施例1中设置铝板，相较于对比例1和对比例2分别替换为不锈钢板和钛板而言，仅实施例1改善了裂纹产生情况，而对比例1～2中均会产生裂纹，由此表明，本发明通过选择铝板与碳化硼板复合，显著提高了降低了产品产生裂纹的情况。
综上所述，本发明提供的层状复合板材通过将碳化硼板与钛板和/或铝板复合，解决了单一碳化硼板韧性较低的问题，减少了裂纹和凸起的产生。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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