一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法。该装甲为三层复合结构，上层和下层是超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层的混合排布层，中间层采用高弹性树脂基复合材料充填钛蜂窝结构形成的吸能减震层。上层和下层是采用钛箔、铝箔、钛箔、纤维增强复合材料层、钛箔依次排布逐层叠加制得的预制体经过烧结得到；然后与钛峰窝复合，经过向钛蜂窝中填充吸能减震的树脂基复合材料得到所述装甲。其采用多种材料体系韧硬复合、相近材料作为基体、蜂窝包裹吸能减震树脂基复合材料的刚性约束结构，既保证了整体结构的科学性，又解决了异质材料复合难的问题，提升了装甲的防护能力。

A multi component composite toughened bionic structural armour and its preparation method

The invention relates to a multi-element composite toughened bionic structural armor and a preparation method thereof. The armor is a three layer composite structure, the upper and lower layers are super hard intermetallic compound layer and fiber reinforced composite layer, and the middle layer uses high elastic resin matrix composite to fill the absorbing energy absorbing layer formed by the titanium honeycomb structure. The upper and lower layers are obtained by sintering of titanium foil, aluminum foil, titanium foil, fiber reinforced composite layer and titanium foil by layer by layer by layer by layer, and then combined with the titanium peak nest, the resin based composite material is filled to the titanium honeycomb. It uses the rigid and hard composite material system and the similar material as the rigid constraint structure of the matrix and honeycomb absorbing absorbing energy absorbing resin matrix composite. It not only ensures the scientific nature of the whole structure, but also solves the difficult problem of the complex material of the heterogeneous material, and improves the protection ability of the armor.

【技术实现步骤摘要】
一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法
本专利技术涉及一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法，属于金属基复合材料

技术介绍
有关武装直升机的升级工作，除了提高其武器装备外，还需要提高其机体的抗弹能力，以提高其战场生存能力。为此，现代武装直升机的要害部位，如直升机底部、驾驶舱四周、油箱、机舱侧壁和侧翼等部位均采用了新型防护材料。例如，美国的AH-64“阿帕奇”，其机身、座舱、旋翼、油箱及传动系统均采用了复合材料，可以保证直升机被12.7mmAMP弹和23mmHEIT弹击中一次后仍然可以继续飞行30min以上，直升机可以安全撤离战场。目前，AH-64“阿帕奇”主要采用Al2O3/玻璃纤维复合材料、B4C/芳纶为代表的新一代复合材料防护装甲。俄罗斯的K-50要求机身的90%的部分可以承受相当于12.7mm口径机枪弹孔的冲击能量，其复合材料重量虽然达到了机身重量的35%，但是座舱防弹仍然采用双层钢制，重量达到了350公斤，这大大的增加了直升机飞行负担。我国的武装直升机考虑到续航能力均未采用任何防护。综合考虑直升机的机动能力，装甲的防护能力和重量是当前迫切需要解决的问题。目前，采用双层钢板结构的防护装甲，防弹能力优越，但是密度太大，加剧了直升机的油耗，降低了直升机的机动能力；采用陶瓷三明治结构的防护装甲也存在诸多问题，比如：（1）各层材料之间界面问题：陶瓷层与韧性层之间连接困难，目前大多数采用粘连剂，界面结合强度低，不利于能量的传播。（2）外层陶瓷材料在第一次防弹过程中会整体失效，导致采用陶瓷表面的很难抵挡多发弹丸连续打击。（3）陶瓷材料制备过程复杂，价格昂贵，难以对武装直升机进行全方位的防护。（4）陶瓷装甲一般作为面板与树脂基背板结合形成复合装甲，该结构属于宏观层状复合，一般防护能力较低。
技术实现思路
针对现有钢板装甲密度大、轻质装甲防护能力低的问题，专利技术人通过对生物材料如海龟壳的宏微观架构的深刻凝练和分析，发现海龟壳是一种典型的多层材料复合的结构，外层的由矿物和有机质组成的近似层状复合材料，次外层的近似纤维增强复合材料，里层的近似泡沫材料，但空洞内充填有机质。基于该发现，本专利技术提出了采用钛合金、纤维、铝合金等材料单元来模仿海龟壳的宏微观组织架构，设计出了一种多元复合增韧型的仿生新结构装甲，解决了轻质装甲多层材料单元之间的复合问题，从而提升了装甲的防护能力。为解决上述技术问题，并达到上述技术效果，本专利技术是通过以下方案实现：一种多元复合增韧型的仿生结构装甲，其特征在于：所述仿生结构装甲为三层复合结构，中间层为高弹性树脂基复合材料充填钛蜂窝结构形成的吸能减震层，上层和下层均为超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层的混合排布层。在一个优选的技术方案中，所述超硬的金属间化合物层为含钛的金属间化合物。在一个优选的技术方案中，所述纤维增强复合材料层表面有一层过渡金属。制备上述多元复合增韧型的仿生结构装甲的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、首先借助磁控溅射在增强纤维表面沉积一层过渡金属，然后采用纤维缠绕机将纤维进行缠绕，再切割成一定尺寸大小的正方形块材，得到纤维增强复合材料层；步骤二、将钛箔、铝箔、钛箔、纤维增强复合材料层、钛箔等采用超声固结的方法以逐层叠加的方式依次排布，制得混合排布层预制体；步骤三、采用热压烧结设备，以梯度升温的方式对混合排布层预制体进行热压烧结以获得仿生结构装甲的上层和下层材料；步骤四、采用超塑成形和扩散连接的方式制备出钛蜂窝结构，然后将制得的钛蜂窝结构与上层和下层材料复合；步骤五、采用高弹性树脂基复合材料充填进钛蜂窝，形成吸能减震层，最终得到所述多元复合增韧型的仿生结构装甲。在一个优选的技术方案中，所述步骤二中，所述纤维增强复合材料层中的纤维排布方向依次交替。在一个优选的技术方案中，所述步骤三中，所述的热压烧结采用变温变压式，首先在650℃进行钛箔和铝箔的反应，压力为20mPa，保温2小时，然后升温至1000℃进行与纤维增强复合材料单元的复合，压力为20mPa，保温时间为3小时。在一个优选的技术方案中，所述步骤四中，钛蜂窝结构与上层和下层材料采用扩散连接或者钎焊的方式复合。在一个优选的技术方案中，所述的步骤四中钛合金蜂窝单元与外层材料采用扩散连接或者钎焊的方式复合。本专利技术的技术效果如下：（1）专利技术人通过对海龟壳的研究发现：海龟壳是一种典型的多层材料复合的结构，外层是由矿物和有机质组成的近似层状复合材料，次外层是近似纤维增强复合材料，里层是近似泡沫材料，空洞内充填有机质。结合海龟壳的性能，想到了模仿海龟壳的结构方式来制备的仿生新结构装甲，采用钛作为基体，上层和外层是超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层混合排布，中间层采用高弹性树脂基复合材料充填钛蜂窝结构作为吸能减震层。（2）由于金属间化合物层和纤维增强层的基体均是钛，可以很好的解决两层材料单元的宏观界面问题，实现了无界面复合，因此装甲在受到子弹打击的时候纤维材料单元可以更好的发挥增韧作用，提升了装甲的防护能力。（3）宏观结构上模仿海龟壳，采用多种材料体系韧硬复合的方式实现了强度和韧性的高度匹配，采用相近材料作为基体解决了宏观界面问题；（4）采用蜂窝包裹吸能减震树脂基复合材料的刚性约束结构既保证了整体结构的合理科学性，又解决了异质材料复合的难题。说明书附图图1为本专利技术的多元复合增韧型的仿生结构装置示意图；图中：1-金属间化合物层、2-蜂窝单元、3-纤维增强复合材料层、4-吸能减震的高弹性树脂基复合材料。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图对本专利技术的一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法作进一步阐述，但本专利技术的保护内容并不限于以下实施例。实施例1试验材料：高纯钛箔厚度30um、高纯钛箔厚度100um、高纯铝箔厚度30um、SiC纤维、钛合金蜂窝、吸能减震型的高弹性树脂基复合材料；装甲长宽均为100mm，厚度为30mm。具体实施步骤如下：步骤一、首先将高纯钛箔和铝箔进行表面处理，清洗干净，然后将钛箔和铝箔切成100mm×100mm方块；步骤二、将SiC纤维通过自动缠绕机缠绕后切成100mm×100mm的方块；可以首先借助磁控溅射在增强纤维表面沉积一层过渡金属，然后采用纤维缠绕机将纤维进行缠绕。步骤三、按照钛箔（30um）、铝箔（30um）、钛箔（100um）、SiC纤维、钛箔（100um）、铝箔（30um）方式叠放，高度为12mm；步骤四、将步骤三所制备成的材料素坯叠放在一起进行热压烧结，热压烧结工艺采用变温变压式，首先在650℃进行钛箔和铝箔的反应，压力为20mPa，保温2小时，然后升温至1000℃进行与纤维增强单元的复合，压力为20mPa，保温时间为3小时，得到超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层混合排布层；步骤五、采用超塑成形和扩散连接的方式制备出钛蜂窝结构；步骤六、将步骤四获得的混合排布层和钛合金蜂窝结构进行胶接；步骤七、最后将吸能减震型的高弹性树脂基复合材料充填入整体结构的钛蜂窝结构中的空隙中，最终得到所述多元复合增韧型的仿生结构装甲。实施例2试验材料：高纯钛箔厚度50um、高纯钛箔厚度100um、高纯铝箔厚度50um、SiC纤维、钛合金蜂窝、吸能减震树脂基复合材料；装甲长宽均为100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多元复合增韧型的仿生结构装甲，其特征在于：所述仿生结构装甲为三层复合结构，中间层为高弹性树脂基复合材料充填钛蜂窝结构形成的吸能减震层，上层和下层均为超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层的混合排布层。

【技术特征摘要】
1.一种多元复合增韧型的仿生结构装甲，其特征在于：所述仿生结构装甲为三层复合结构，中间层为高弹性树脂基复合材料充填钛蜂窝结构形成的吸能减震层，上层和下层均为超硬的金属间化合物层和纤维增强复合材料层的混合排布层。2.根据权利要求1所述的一种多元复合增韧型的仿生结构装甲，其特征在于，所述超硬的金属间化合物层为含钛的金属间化合物层。3.根据权利要求1所述的一种多元复合增韧型的仿生结构装甲，其特征在于，所述纤维增强复合材料层表面有一层过渡金属。4.一种多元复合增韧型的仿生结构装甲的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、首先借助磁控溅射在增强纤维表面沉积一层过渡金属，然后采用纤维缠绕机将纤维进行缠绕，再切割成一定尺寸大小的正方形块材，得到纤维增强复合材料层；步骤二、将钛箔、铝箔、钛箔、纤维增强复合材料层、钛箔等采用超声固结的方法以逐层叠加的方式依次排布，制得混合排布层预制体；步骤三、采用热压烧结设备，以梯度升温的方式对混合排...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐严谨，侯红亮，赵冰，王耀奇，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11