[发明专利]一种碳化硼‑铝合金复合板的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硼陶瓷装甲领域，尤其涉及一种碳化硼-铝合金复合装甲。

背景技术

防弹装甲材料日益朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成本的方向发展。传统金属防弹材料由于密度大，使得车辆、船舶和飞机不得不牺牲其有效载荷，同时过厚的装甲又降低了设备的操作灵活性，因此，轻质防弹材料已经成为目前的研究热点和发展趋势。陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性优异、热膨胀系数小、密度低等优良的性能，并且陶瓷材料具备的吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的，其中B₄C陶瓷的高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼）和低密度（2.52g/cm³），使其在防弹装甲域具有巨大的应用潜力。金属铝具有优良的塑性和韧性、易加工成型和密度较低（2.7g/cm³），而且原料来源广泛，价格便宜，与陶瓷材料复合后具有轻质、高强、高韧的特点。因此，将B₄C陶瓷与金属铝相结合，形成碳化硼-铝合金复合装甲，扬长避短，发挥二者的性能优势，是制备高性能防弹装甲的一条有效的途径。

目前的抗弹陶瓷厚度一般小于30mm，主要用于防小口径弹种的攻击，对于更高等级的防护，要求复合装甲中的抗弹陶瓷有一定的厚度，尽管采用多层叠铺方式也可以实现陶瓷的大厚度要求，但由于尺寸效应其抗弹性能会相应下降;而采用大厚度整体抗弹陶瓷，可提高防护装甲抗击高能量打击的能力。B₄C的熔点高达2350℃，纯B₄C材料因其高共价键含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添加烧结助剂促进其烧结。B₄C陶瓷的低韧性严重影响其抗弹性能。因此可以采取成分及结构复合的方式来提高B₄C陶瓷的韧性。目前B₄C陶瓷的制备主要是热压烧结、无压烧结、反应烧结三种工艺。其中反应烧结温度低，能够以净尺寸烧结，具有良好的应用前景。

目前，制备碳化硼陶瓷-铝合金复合材料通常是先制备出多孔碳化硼骨架，之后采用熔渗液态铝的方法，获得三维网络结构的碳化硼-铝复合材料，但该结构材料难以充分发挥碳化硼陶瓷的优异特性，也难以制备大尺寸制品。流延成型可用来成型大尺寸陶瓷制品，但通常适合于制备薄片制品，在制备大厚度产品方面有很大的局限性。

发明内容

本发明提供一种大厚度的碳化硼-铝合金复合板的制备方法，先制备出大厚度碳化硼陶瓷板，之后将陶瓷板与铝合金直接浇注，使铝合金在三维空间上对碳化硼陶瓷进行约束和固结，形成铝包裹碳化硼的一体结构材料。陶瓷板上均匀分布的止裂孔也有利于浇筑过程中液态铝的流动和贯通，使铝合金与碳化硼陶瓷的结合更加牢固具体包括以下实验步骤：

1)将球磨原料B₄C粉和改性酚醛树脂在球磨机中球磨12-24小时，形成浆料；

2) 用造粒机将步骤1）得到的浆料进行造粒，驱动蠕动泵电机，将上述步骤1）中球磨好的浆料桶中的浆料通过泵输送到造粒机顶端的喷盘中，喷盘电机驱动系统驱动喷盘旋转，旋转的喷盘通过离心作用将浆料分散，鼓风机通过风口将分散的浆料吹至底部带有超声装置的水中，颗粒不溶于水而沉淀至底部；通过造粒机的出料口将颗粒和水分离；将得到的颗粒进行烘干得到造粒粉；

3)将上述得到的造粒粉在液压机中压制得到压坯，所述压坯密度控制在1.7-1.8 g/cm³，厚度60-80 mm；

4) 然后将压坯在网带炉中加热，改性酚醛树脂分解并产生包覆碳源，得到素坯；

5)用钻床在素坯上加工通孔，得到坯件，所述通孔的孔径为3-5mm；

6)将坯件经真空烧结炉中烧结，真空度≤10Pa，将硅饼置于坯件上层，得到带有通孔的碳化硼陶瓷板；

7)将带有通孔的碳化硼陶瓷板在烘箱内预热，然后取出放置在模具内；待铝合金在熔炼炉中完全熔化后浇铸于陶瓷板周围，熔融铝合金凝固，形成铝合金包裹碳化硼陶瓷结构。

作为优选，所述步骤1）中球磨原料还包括PVA，甘油，PEG，无水乙醇；所述B₄C粉和改性酚醛树脂的重量比为10:1-13:1。