一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TC4‑Al3Ti‑TC4‑陶瓷叠层复合装甲及其制备方法，其特征在于：将陶瓷（以B4C、SiC、Si3N4为典型实施例）引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲。首先采用真空热压烧结工艺制备TC4‑Al3Ti‑TC4叠层材料，然后采用环氧树脂混合剂将TC4‑Al3Ti‑TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，制备出TC4‑Al3Ti‑TC4‑陶瓷叠层复合装甲。本发明专利技术旨在提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲抗侵彻性能并降低其质量。将陶瓷引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲中，陶瓷硬度远高于标准穿甲弹弹丸硬度，进而提高复合装甲的抗侵彻能力。此外，陶瓷材料密度远低于钛合金密度，故而能降低复合装甲的面密度，减轻复合装甲重量，提高装甲车辆和直升机的机动性能。

A TC4-Al3Ti-TC4- laminated composite armor and its preparation method

The invention discloses a TC4 Al3Ti TC4 ceramic laminated composite armor and its preparation method, which is characterized in that a ceramic (B4C, SiC, Si3N4 as a typical example) is introduced into the laminated composite armor of a titanium aluminum intermetallic compound. First, the vacuum hot pressing sintering process was used to prepare the TC4 Al3Ti TC4 laminated material. Then the epoxy resin mixture was used to stack the TC4 Al3Ti TC4 laminated material and the ceramic material in turn. The TC4 Al3Ti TC4 TC4 ceramic laminated composite armor was prepared. The aim of the present invention is to improve the anti penetration performance and reduce the quality of the laminated composite armor of the intermetallic compound of titanium and aluminum. The ceramic hardness is much higher than that of the standard armor piercing projectile, and the anti penetration ability of the composite armor is improved by introducing ceramics into the laminated composite armor of titanium aluminum intermetallic compound. In addition, the density of the ceramic material is much lower than the density of the titanium alloy, so it can reduce the surface density of the composite armor, reduce the weight of the composite armor, and improve the maneuverability of the armored vehicles and helicopters.

【技术实现步骤摘要】
一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法
本专利技术属于装甲防护领域，具体涉及一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲及其制备方法。
技术介绍
金属间化合物硬度高、密度小、杨氏模量大适用于做防弹材料，而且实验证明，厚度适当的多层叠合靶抗弹性能高于单层均质板，防护系数可提高0.20以上。上世纪九十年代，科学家提出了金属间化合物叠层复合装甲，该类金属间化合物叠层复合装甲由韧性金属和脆性金属间化合物交替叠加组成，如Ti-Al3Ti金属间化合物叠层复合装甲。该叠层复合装甲是由韧性金属钛和脆性金属间化合物Al3Ti组成。对Ti-Al3Ti复合材料进行弹道冲击实验，研究结果表明Ti-Al3Ti复合装甲防护性能与装甲钢类似。值得注意的是Ti-Al3Ti（密度约为3.26g/cm3、维氏硬度为5.5GPa左右）金属间化合物叠层复合装甲的性能参数对于装甲防护而言尚且不是最佳，其硬度低于标准穿甲弹弹丸的硬度（维氏硬度为8GPa左右）。故而其抗侵彻能力具有一定的局限性。20世纪60年代越南战场上,美国首次使用Al2O3/Al陶瓷复合装甲。之后,美国陆军实验室MarkWilkins等人对陶瓷/金属(或树脂基复合材料)轻质复合装甲进行了深入研究,坚硬的陶瓷面板可以起到击碎或钝化弹丸的作用,韧性金属背板则发生变形以吸收弹丸和面板碎片的残余动能,从而有效抵抗弹丸侵彻。由此可见陶瓷/金属(或树脂基复合材料)轻质复合装甲在抗侵彻方面具有极大的优势。
技术实现思路
本专利技术旨在提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲抗侵彻性能并降低其质量。本专利技术所述的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，使用环氧树脂混合剂将真空热压烧结制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷板材依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出所述金属/金属间化合物/金属/陶瓷叠层复合装甲。本专利技术所述TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，是在钛铝叠层复合材料密度较高、硬度较低的基础上，基于陶瓷低密度、高硬度的性能和叠层复合材料特有的失效机理，将陶瓷层引入了钛铝金属间化合物叠层复合装甲。即使用环氧树脂混合剂将采用真空热压烧结工艺制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。进一步的，所述环氧树脂混合剂是将环氧树脂E51（618）与固化剂593按照重量比100：35的比例混合，搅拌均匀后立即使用。所述环氧树脂混合剂具有粘结强度高、韧性好、使用方便等特征。本专利技术所述的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲的制备方法，包括如下步骤：第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料：（1）制样：将厚度比约为2:3:4的TC4箔、Al箔和陶瓷板材裁剪成大小相同的尺寸，其中TC4箔个数为Al箔的两倍，陶瓷板材比Al箔少一个；将所裁TC4箔放入酸溶液中处理，将所裁Al箔放入NaOH溶液中处理，以除去二者表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种箔材超声波清洗，最后将三种材料烘干备用；（2）叠放并包套：将步骤（1）所得两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用厚度为0.05mm的钛箔包套处理，得到一个包套体；按照上述方法可制成多个包套体；（3）真空热压烧结：将所得一个或多个包套体置于石墨模具中按照如下工艺真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料，多个包套体之间上下交叠放置且可用石墨垫片隔开：①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h，保温期间压力为1.5MPa；③以10℃/min的速率升高烧结温度到675℃，保温3h，保温期间压力为3.5MPa；④随炉冷却，冷却期间压力为3.5MPa；第二步：粘结TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料与陶瓷板材并包套处理：将第一步（1）中的陶瓷正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂混合剂，然后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料-陶瓷-TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”；接着再把适量的上述环氧树脂混合剂均匀涂抹于“粘结体”各个表面，最后用钛箔进行整体包套并静置2~4小时使上述环氧树脂混合剂固化获得所述TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。本专利技术所述的各个步骤以及各步骤所采用的工艺及其参数，均对最终产物的性质起到了非常重要的作用。其中将陶瓷正面和背面均匀涂抹适量的环氧树脂混合剂（将环氧树脂E51（618）与固化剂593按照重量比100：35的比例混合制得）后按照“TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料-陶瓷-TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料”的顺序依次堆叠形成“粘结体”，该特征使得钛铝金属间化合物与陶瓷交替堆叠，在受到弹丸打击时二者可多次交替作用，更好的提高所述复合装甲的抗侵彻能力。此外，环氧树脂混合剂使得TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料粘结为一个整体，因此装甲结构稳固，能更好的抵抗打击。进一步的，综合陶瓷的密度和维氏硬度等性能参数，本专利技术选用B4C（密度为2.45~2.52g/cm3、维氏硬度为29~35GPa）、SiC（密度为3.10~3.20g/cm3、维氏硬度为22~23GPa）、Si3N4（密度为3.20~3.45g/cm3、维氏硬度为16~19GPa）陶瓷作为陶瓷板材。该类型陶瓷相比Al3Ti（密度约为3.26g/cm3、维氏硬度为5.5GPa左右）具有密度低，硬度高、抗压强度好等特性。由于现有标准穿甲弹的钨合金弹心维氏硬度约为8GPa,远低于上述陶瓷硬度，故而该特征使得所述复合装甲在抵抗弹丸侵彻时，可以综合利用陶瓷和钛铝金属间化合物的高硬度性能消耗弹丸动能，因此相较于现有钛铝金属间化合物叠层复合装甲能更好的抵抗弹丸侵彻；此外，由于所述陶瓷密度低于钛合金密度，故而能减轻复合装甲质量，提高装甲车或直升机的机动性能。取适量环氧树脂混合剂均匀涂抹于所述的“粘结体”各个表面，此后采用厚度为0.05mm的钛箔进行整体包套并静置2~4小时待环氧树脂混合剂固化制得所述一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，该特征采用钛箔对整体进行包套处理，一定程度上对中间陶瓷进行了约束，同时也使得整块复合装甲结构更加完整稳固，可提高其抗弹性能。本专利技术所述的复合装甲将高硬度、低密度的陶瓷层引入钛铝金属间化合物叠层复合装甲中，即使用环氧树脂混合剂将采用真空热压烧结工艺制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷材料依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲。该设计利用陶瓷的低密度和高于标准穿甲弹弹丸硬度（维氏硬度约为8GPa）的性能，将硬度高的陶瓷、钛铝金属间化合物与具有韧性的金属钛材料结合，在受到弹丸打击时，两类材料结合且多次作用，能较好的消耗并吸收弹丸动能，从而提高复合装甲的抗侵彻能力；同时，由于所选陶瓷的密度低于钛铝合金密度，降低了装甲板的重量，能提高装甲车和直升机的机动性能。附图说明图1为TC4-Al3T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TC4‑Al3Ti‑TC4‑陶瓷叠层复合装甲，其特征在于使用环氧树脂混合剂将真空热压烧结制备的TC4‑Al3Ti‑TC4叠层材料与陶瓷板材依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出所述金属/金属间化合物/金属/陶瓷叠层复合装甲。

【技术特征摘要】
1.一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，其特征在于使用环氧树脂混合剂将真空热压烧结制备的TC4-Al3Ti-TC4叠层材料与陶瓷板材依次堆叠粘结，最后用钛箔整体包套，制备出所述金属/金属间化合物/金属/陶瓷叠层复合装甲。2.根据权利要求1的一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，其特征为：所述环氧树脂混合剂是将环氧树脂E51（618）与固化剂593按照重量比100：35的比例混合，搅拌均匀后立即使用。3.一种TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲的制备方法，用于制备如权利要求1或2所述的TC4-Al3Ti-TC4-陶瓷叠层复合装甲，其特征为：第一步：制备TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料：（1）制样：将一定数量和一定厚度比的TC4箔、Al箔和陶瓷板材裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入酸溶液中处理，将所裁Al箔放入NaOH溶液中处理，以除去二者表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用丙酮对三种箔材超声波清洗，最后将三种材料烘干备用；（2）叠放并包套：将步骤（1）所得箔材中的两片TC4箔与一片Al箔按照TC4-Al-TC4叠放，然后将该三层堆叠体用钛箔包套处理，得到一个包套体；按照上述方法制成多个包套体；（3）真空热压烧结：将所得一个或多个包套体置于石墨模具中按照如下工艺真空热压烧结获得所述TC4-Al3Ti-TC4叠层复合材料，多个包套体之间上下交叠放置且可用石墨垫片隔开：①对所得包套体施加3.8MPa压力，以10℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温2h，保温期间压力仍为3.8MPa；②以10℃/min的速率升高烧结温度到650℃，保温4.5h...

【专利技术属性】
技术研发人员：原梅妮，辛乐，姚磊斌，韩方洲，姚宇航，魏守征，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14