本发明属于装甲材料制备技术领域，具体涉及一种三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲及其制备方法和应用。
背景技术：
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
现有的装甲材料制备方法复杂，成本昂贵，陶瓷材料的抗热振能力较差。
装甲材料包括
铝合金装甲、钛合金装甲、陶瓷材料装甲，
复合材料装甲，复合材料包括陶瓷类、纤维材料及其它非金属类材料，现有的复合材料中陶瓷材料、金属、超高分子量纤维组成的复合材料应用较广，其组成形式分为三明治结构，即陶瓷位于中间部分陶瓷的上下表面利用超高分子量纤维包裹，超高分子量纤维的上下表面包裹金属层，这种结构类型抗侵彻能力一般，抗冲击和崩落能力较弱，综合性能一般；功能梯度结构，依次由陶瓷、颗粒增强复合材料、金属层组成，这种材料的抗侵彻能力一般，抗冲击和崩落能力优良，综合抗弹效果较好；还有密排陶瓷结构，陶瓷位于中间部分，侧向约束结构和三维约束结构，密排陶瓷结构抗侵彻能力一般，装甲抗侵彻面积较小，抗二次打击能力有所提高，综合抗弹效果较好；侧向约束结构抗侵彻能力较好，抗冲击和崩落能力一般。
三维约束结构的抗侵彻能力优良，抗冲击和崩落能力优良，但存在抗弹性能的不均匀性。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲及其制备方法和应用。发明人总结了现有的金属-陶瓷复合装甲制造技术均是异性陶瓷制造方法，及制备异形陶瓷和金属点阵，然后复合得到金属陶瓷靶板，发明人认为现有的方法过程繁琐，而且采用热压或热等静压等制造方法，对内置的异形陶瓷的加工精度要求较高，陶瓷加工的成本较高。本发明提供一种制备方法简单，具有抗侵彻能力优良，抗冲击能力和抗崩落能力优良，并且抗弹性能优良，综合抗弹性能优良的方法和金属陶瓷复合点阵装甲。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，具体步骤为：
制造若干陶瓷异形柱和石墨架；
将若干陶瓷异形柱的两端分别插入到石墨架中，固定陶瓷异形柱；
将装配体放入容器中，容器中放入金属粉末，使金属粉末进入装配体的陶瓷异形柱的空隙中，并覆盖装配体的陶瓷异形柱的外表面；
将整个容器放入烧结炉中，烧结后得到复合装甲板。
在一些实施例中，金属粉末为钛合金tc4粉末。
在一些实施例中，烧结的温度为高于金属的熔点；优选的，烧结的温度为1600-1700℃，烧结升温时间为14-16小时，最高温度保温时间为8-12分钟。
现有的复合点阵装甲的制备方法是把陶瓷板放置在浇注槽内与熔融的金属进行结合，这种制备方法具有两个缺点：
1.陶瓷材料的抗热振稳定性较差，也就是说，陶瓷材料在经受急剧的温度变化的能力较差。当高温的金属溶液浇注到温度没那么高的陶瓷中的时候，陶瓷会开裂，影响装甲的抗冲击能力。本发明的方案，金属粉末和陶瓷一起缓慢加热(每分钟2℃)，有效避免了陶瓷温度的急速变化。
2.通常情况下，钛合金或者铝合金的性能比较活泼。当暴露在空气中的时候，很容易和空气中的氧气以及氮气发生反应。所以，把金属熔化，并把融化后的金属放到陶瓷缝隙中，需要真空环境。传统方法所需要的真空炉子都比较大，本发明的方案需要的真空炉子较小。
本发明使常温下的金属粉末填充和覆盖陶瓷异形柱，随着烧结温度的升高，金属粉末与陶瓷异形柱表面结合，金属粉末填充在陶瓷异形柱的上下间隙和左右间隙之间。由于金属粉末与陶瓷柱可以同时放在较为小的坩埚内，这样就保证了：1.金属粉末可以和陶瓷一起缓慢加热，避免陶瓷受到热振冲击；2.金属粉末和陶瓷同时放在一个较小的坩埚内，这样就减小了对真空设备的要求，可以用较小的真空设备完成金属-陶瓷复合装甲的制备。
在一些实施例中，石墨架由两个具有镂空结构的长方型架体组成，镂空的形状与陶瓷异形柱的横截面的形状相配合。
优选的，镂空的形状间隔设置，沿着石墨架的上边和下边横向上，双梯形柱的横截面形状和梯形柱的横截面形状相互交替。石墨架的上边和下边横向上，梯形和双梯形柱相互交替，而且梯形柱和双梯形柱的侧面的斜面相互卡合。
优选的，梯形柱的横截面面积等于一半的双梯形柱横截面面积。
在一些实施例中，陶瓷异形柱为梯型柱和双梯形柱，双梯形柱的横截面为两个梯形的顶边重合后的形状，在装配体中梯形柱和双梯形柱的斜面相互卡合，梯形柱的顶面位于外侧，双梯形柱的底面位于外侧。梯形分为较短的上底边即为本发明的顶边，相对应梯形柱的是顶面，较长的下底边，即为本发明的底边，相对应梯形柱的底面。双梯形柱的底面位于外侧，其面积较大，侧面卡住梯形柱，双梯形柱形成一个收腰的结构，中间凹进去的部分卡住一个梯形柱和一个双梯形柱，如果受到弹性的影响，能够较快和较好的恢复弹力。
在一些实施例中，相邻陶瓷异形柱之间的间隙为1.8-2.2mm。
在一些实施例中，陶瓷异形柱和金属合金材料的质量比为1：2.5-2.7。
第二方面，上述方法制备得到的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲，包括若干陶瓷异形柱，陶瓷异形柱成规则排列，若干陶瓷异形柱之间的缝隙中固结金属合金材料，装甲的外表面覆盖金属合金材料。本发明解决了三维约束结构抗弹性能力不足的问题，金属陶瓷之间接合面难处理的问题，而且制备过程简单。陶瓷异形柱成规则排列，发现在发生弹性压力时，若干陶瓷异形柱相互配合，更好的发挥陶瓷材料的抗压强度以及金属的韧性，形成一种高强韧耦合的装甲，提高抗弹性能力。
本发明的有益效果：
相比于现有的金属-陶瓷三维约束结构的制备方法，本发明的技术方案解决了加工过程复杂的问题，简化了制备过程。现有的制备过程对每个步骤的设备和精度都要求较高，生产成本较高。本发明的制备方法，成本降低，制备时间缩短，提高了工作和生产效率。原有的组建热压集成法一般需要陶瓷柱的直线度为2‰，胶合法需要陶瓷柱的直线度为3‰，本发明所涉及的制造方法需要陶瓷柱的直线度为2％，从而降低了陶瓷柱的生产成本。
就抗热振性而言，因为陶瓷柱和金属粉末一同缓慢升温，陶瓷柱没有急速的温度变化，与传统的将金属液体浇注到陶瓷空隙中的方法相比，本发明所涉及的制造方法，陶瓷中没有热振裂纹。试验表明，本发明所制造的陶瓷-金属复合试验样件比传统的将金属液体浇注到陶瓷空隙中的方法所制作的样件抗弯强度增加了37％。
现有的制造方法，要求陶瓷柱具有较高的加工精度，而现有的高强度陶瓷的制造方法(如无压烧结、热压烧结等)很难以较低成本制造出直线度、平面度尺寸精度非常高的陶瓷柱。本发明的制备方法，对陶瓷柱的加工精度要求降低，利用石墨架形成对陶瓷柱的约束，固定了陶瓷柱，同时金属和陶瓷柱的结合方式提高了装甲抗弹行，本发明使用了梯形结构的陶瓷柱和双梯形结构的陶瓷柱，当受到弹性压力时，陶瓷柱之间通过相互的力的传递，能够减小弹力对装甲的损伤。同时本发明是一种三维约束结构，抗侵彻能力优良，抗冲击和崩落能力优良。
使用本方法所制备的无压烧结碳化硅-钛合金复合装甲板的极限抗弹速度为956m/s，优于同厚度的装甲钢。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为陶瓷异形柱的结构图；
图2为陶瓷柱装配到石墨架中的结构图；
图3为制备好的装甲板的结构图；
其中，1、梯形柱，2、双梯形柱，3、石墨架，4、金属点阵，5、陶瓷异形柱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
现有的复合装甲的制备方法主要分为：
1)组件热压集成法，预先将金属面板、背板、金属框加工成型，同时陶瓷块也预先烧结成型，然后在背板上放置好金属框，并将陶瓷块分别放入金属框内，最后盖上面板，进行烧结，使金属与陶瓷紧密结合。然而这种制备方法首先要经过热压或热等静压的烧结过程来制备陶瓷体，而且金属框和陶瓷必须保证严格的尺寸匹配。除此之外还要经过一个热等静压过程使金属和陶瓷紧密结合，因此整个制备过程成本极其昂贵。
2)陶瓷粉末烧结法
预先将金属面板、背板、金属框加工成型，然后在背板上放置好金属框，在金属框中放入烧结陶瓷需要的粉料一级渗透剂和反应剂等，盖好面板，再进行烧结。在烧结过程找那个，发生原位反应形成陶瓷体，同时陶瓷体与金属框结合紧密。这种方法，不用实现制备复合尺寸要求的陶瓷体，陶瓷块的制备需要热压或热等静压过程来形成。
3)金属热喷涂沉积法
该制备方法是预先将陶瓷体烧结成型，然后采用在陶瓷体表面进行金属沉积形成金属外套的方式实现对陶瓷的包裹。这种方法适用于制备防御小口径弹丸，且金属涂层较薄的复合装甲，对于较厚的金属涂敷层则难以形成，且成本过于安规，涂层强度也受到影响。
实施例1
将
陶瓷粉体置于模具中，通过在加载压力的作用下，制备得到梯形陶瓷柱和双梯形陶瓷柱；
加工镂空的石墨架，按照陶瓷异形柱的尺寸和陶瓷异形柱的排列方式，支撑得到镂空架体；
将若干陶瓷异形柱的两端分别插入两个石墨架中，组装好装配体，将装配好的装配体放入坩埚中，然后将金属粉末灌注入若干陶瓷异形柱之间的缝隙中；并将坩埚放入
振动筛中，使得粉体可以更充分的进入到陶瓷的空隙中。
将灌注粉末后的装配体放入烧结炉中，历经15个小时，缓慢升温至1650℃，之后，保温10分钟，之后，自然降温，得到三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲板，如图3所示。
加工好以后会把石墨架子敲掉。加工后得到的装甲如图3所示。
由图1所示，陶瓷异形柱分为梯形柱和双梯形柱，双梯形柱的横截面为两个梯形的顶边或者说是上底边相互重合的形状。从而使双梯形柱形成一个收腰的结构，侧面向内凹，可以方便双梯形柱与梯形柱形成卡合的结构，双梯形柱与梯形柱的斜面相互卡合，相互之间会有一个相互支持和相互缓冲的作用力，促使其抗弹性能较好。
如图2所示，双梯形柱与梯形柱的两端分别位于石墨的镂空结构中，通过石墨架实现了陶瓷异形柱的固定和装配的需求。金属粉末填充在陶瓷异形柱之间和相对朝向外侧的外表面。因此经过烧结之后即可形成装甲板。
本发明的制备步骤相比于现有的三维约束结构的三步的制备方法，本发明的制备过程分为两步，简化了操作过程。
实施例2
抗侵彻能力、抗冲击崩落能力的测试，使用落锤法方法进行测试，对实施例1制备得到的复合点阵装甲板进行测试，得到的测试结果为金属与陶瓷接合面有一定强度，与传统的胶粘法相比，落锤法的结果相近或更好。胶粘法为金属和陶瓷的传统制备方法，详见《陶瓷与金属的粘结法》。
实施例3
抗弹性能力的测试，使用摆锤法方法进行测试，对实施例1制备得到的复合点阵装甲板进行测试，得到的测试结果为金属与陶瓷接合面有一定强度，与传统的胶粘法相比，摆锤法的结果相近或更好。
实施例4
与实施例1不同的地方在于，烧结温度为1670℃，烧结时间为14h。
对照例1
与实施例1的方法不同之处在于，将金属粉末先进行熔融，然后浇注到装配体制备得到试件。
对照例2
与实施例1不同之处在于，将装配体放入熔融的金属材料的熔融液中，然后冷却得到试件。
三点抗弯测试表明，本发明所制造的陶瓷-金属复合试验样件比对照例1和对照例2的方法所制作的样件抗弯强度增加了37％。
靶试试验表明，使用本方法所制备的无压烧结碳化硅-钛合金复合装甲板的极限抗弹速度为956m/s，优于同厚度的装甲钢。通过上述的结果可以得到，本发明的金属陶瓷复合点阵装甲，相比于现有的三维约束结构，不仅制备过程更加简单，成本降低，而且在性能上有所提高，通过实验证实，保持了抗侵彻能力、抗冲击崩落能力，而且，在抗弹性性能方面具有较大的改进。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：具体步骤为：
制造若干陶瓷异形柱和石墨架；
将若干陶瓷异形柱的两端分别插入到石墨架中，固定陶瓷异形柱；
将装配体放入容器中，容器中放入金属粉末，使金属粉末进入装配体的陶瓷异形柱的空隙中，并覆盖装配体的陶瓷异形柱的外表面；
将整个容器放入烧结炉中，烧结后得到复合装甲板。
2.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：金属粉末为钛合金tc4粉末。
3.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：烧结的温度为高于金属的熔点；
优选的，烧结的温度为1600-1700℃，烧结升温时间为14-16小时，最高温度保温时间为8-12分钟。
4.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：石墨架由两个具有镂空结构的长方型架体组成，镂空的形状与陶瓷异形柱的横截面的形状相配合。
5.根据权利要求4所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：镂空的形状间隔设置，沿着石墨架的上边和下边横向上，双梯形柱的横截面形状和梯形柱的横截面形状相互交替。
6.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：陶瓷异形柱为梯型柱和双梯形柱，双梯形柱的横截面为两个梯形的顶边重合后的形状，在装配体中梯形柱和双梯形柱的斜面相互卡合，梯形柱的顶面位于外侧，双梯形柱的底面位于外侧。
7.根据权利要求6所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：梯形柱的横截面面积等于一半的双梯形柱横截面面积。
8.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：相邻陶瓷异形柱之间的间隙为1.8-2.2mm。
9.根据权利要求1所述的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲的制备方法，其特征在于：陶瓷异形柱和金属的质量比为1：2.5-2.7。
10.权利要求1-9任一所述的制备方法得到的三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲，其特征在于：包括若干陶瓷异形柱，陶瓷异形柱成规则排列，若干陶瓷异形柱之间的缝隙中固结金属合金材料，装甲的外表面覆盖金属合金材料。
技术总结
本发明涉及一种三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲及其制备方法和应用。包括若干陶瓷异形柱和金属合金材料，若干陶瓷异形柱成规则排列，金属合金材料填充在陶瓷异形柱之间的缝隙中，并且覆盖在装甲的外表面。制备方法为：若干陶瓷异形柱进行规则排列，然后在若干陶瓷异形柱之间填充金属合金粉末，然后整体进行烧结。提高了抗热振稳定性能。解决了三维约束结构抗弹性能力不足的问题，而且制备过程简单。陶瓷异形柱和石墨架的镂空结构相配合，可以直接完成装配，而且形状的设计从抗弹性能力出发，发现在发生弹性压力时，若干陶瓷异形柱相互配合，能够较好恢复形变，提高抗弹性能力。
技术研发人员：王荣;梁秀兵;陈永雄;胡振锋;胡海韵
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
技术研发日：2019.11.20
技术公布日：2020.02.04
声明：
“三维约束结构的金属陶瓷复合点阵装甲及其制备方法和应用与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
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2024年07月12日 ~ 14日 
