一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品技术

本发明专利技术公开了一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品，属于防护材料技术领域，本发明专利技术以高强度的陶瓷和高塑性的金属为原料，使用陶瓷材料3D打印技术制备陶瓷骨架，通过真空熔渗技术使熔融金属充满陶瓷骨架所在空间，实现可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备，本发明专利技术制备的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料具有高强度、高能量吸收、抗多次打击特性，可广泛应用在防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。

【技术实现步骤摘要】
一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品


[0001]本专利技术涉及防护材料
，特别是涉及一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品。

技术介绍

[0002]防护材料的目的是消耗弹丸的动能、降低其杀伤力，达到保护作战人员的目的。传统防护材料多由陶瓷、金属薄板层状堆叠形成。防护材料表面陶瓷层能有效镦粗和破坏子弹，减弱子弹的杀伤力；破碎的陶瓷能进一步消耗子弹的动能；金属背板通过其塑性变形吸收子弹剩余的能量。然而，传统层状防护材料存在应力传递不连续、无法抵抗连续破坏、陶瓷材料易飞溅等问题。随着武器杀伤力的不断提高，对防护材料的防护性能提出了更高要求。此外，不同位置对防护材料力学性能的要求不同，这对防护材料力学性能的可设计性是重要挑战。因此，需要开发一种强度高、吸能效果好、抗多次打击的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法及其产品，以解决目前防护材料防护性能不足、不能抗多次打击、材料力学性能不可设计等问题，本专利技术使用陶瓷材料3D打印技术制备陶瓷骨架，通过真空熔渗技术使熔融金属充满陶瓷骨架周围空间，最终得到了高强度、高能量吸收、抗多次打击的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]设计陶瓷骨架三维结构，使用3D打印技术制备陶瓷骨架，通过真空熔渗技术使熔融金属填充至所述陶瓷骨架周围空间。
[0007]进一步地，所述制备方法，具体包括以下步骤：
[0008](1)设计陶瓷骨架三维结构：绘制陶瓷骨架三维模型，对stl格式的陶瓷骨架三维模型进行切片处理，得到tdp文件，优选通过Solidworks、Rhino等软件完成陶瓷骨架三维模型绘制，将stl格式的陶瓷骨架三维模型导入10dim软件对模型进行切片处理，得到可供打印机识别的tdp文件；
[0009](2)3D打印陶瓷骨架：配制打印陶瓷骨架所需的陶瓷浆料，将所述tdp文件导入打印机，进行3D打印，设置紫外光功率为5500～18000μW/cm2，单层曝光时间为2～12s，打印完成后去除生坯上的支撑材料并进行醇洗，获得陶瓷骨架的生坯，将生坯进行干燥、排脂、烧结处理，得到3D打印的陶瓷骨架；
[0010](3)可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备：将所述陶瓷骨架埋入金属粉体中，真空烧结，融化金属粉体使其充满陶瓷骨架所在空间，得到可设计金属/陶瓷双相三
维连通防护材料。
[0011]进一步地，步骤(1)所述陶瓷骨架三维模型的陶瓷骨架胞元包括点阵结构和极小曲面结构及其拓扑优化结构，陶瓷骨架不同位置胞元构型和相对密度无相等要求。
[0012]进一步地，步骤(1)所述陶瓷骨架三维模型的陶瓷骨架胞元的相对密度为5％～75％。
[0013]进一步地，步骤(1)所述陶瓷骨架三维模型的陶瓷骨架胞元的长、宽、高为1mm～30mm，且无相等要求。
[0014]进一步地，步骤(2)所述3D打印为光固化3D打印成型技术，可以为立体光刻成型技术、数字光处理成型技术中的一种。
[0015]进一步地，步骤(2)所述陶瓷浆料的原料包括：陶瓷粉体、分散剂、光敏树脂、光引发剂和烧结助剂。
[0016]进一步地，所述陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化铝中的任意一种；
[0017]所述分散剂为KOS110分散剂或路博润超分散剂17000；
[0018]所述光引发剂为TPO光引发剂；
[0019]所述烧结助剂为二氧化钛、氧化钇和氧化镁的一种或几种；
[0020]陶瓷粉体体积含量30～60vol.％，光敏树脂含量40～70vol.％，分散剂添加量为陶瓷粉体用量的1～5wt％，光引发剂添加量为光敏树脂用量的0.5～2wt％，烧结助剂用量为陶瓷粉体用量的0.5～5wt％，当烧结助剂为氧化镁时，氧化镁用量为陶瓷粉体用量的0.5～3wt％。
[0021]陶瓷粉体的制备方法为：将各原料按照上述比例混合后，球磨6～40h后得到陶瓷浆料。
[0022]进一步地，步骤(2)所述醇洗是用无水乙醇清洗，所述干燥是室温干燥5h。
[0023]进一步地，步骤(2)排脂温度为450～650℃，排脂时间为0.5～4h；烧结温度为1400～1800℃，烧结时间为0.5～4h。
[0024]进一步地，步骤(3)真空熔渗温度为500～1800℃。
[0025]一种根据所述制备方法制备得到的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料。
[0026]本专利技术公开了以下技术效果：
[0027](1)本专利技术中，可以通过设计陶瓷骨架胞元的构型、尺寸和相对密度，来实现对陶瓷骨架力学性能的设计与调控。
[0028](2)本专利技术中，可以通过调控金属粉体的类型来获得不同力学性能设计的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料。
[0029](3)本专利技术以高强度的陶瓷和高塑性的金属为原料，设计并制备了高强度、高能量吸收、应力传递连续性好、抗多次打击的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料：设计陶瓷骨架三维结构；使用陶瓷材料3D打印技术制备陶瓷骨架；通过真空熔渗技术使熔融金属填充至陶瓷骨架周围空间，实现可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备。本专利技术制备的可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料具有高强度和高能量吸收特性，可抗多次打击，可广泛应用在防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。
[0030](4)本专利技术中，陶瓷浆料制备方法简单、易操作，采用光固化3D打印成型技术，如立
体光刻成型技术(SLA)、数字光处理成型技术(DLP)，可实现多种复杂结构的高精度成型。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术实施例1中金属/梯度陶瓷双相三维连通防护材料的结构示意图；
[0033]图2为本专利技术实施例2中金属/拓扑优化陶瓷双相三维连通防护材料的结构示意图；
[0034]图3为本专利技术对比例1中基于八面体桁架构型设计的梯度陶瓷骨架的实物图；
[0035]图4为本专利技术对比例1中基于八面体桁架构型设计的梯度陶瓷骨架在静态压缩载荷下力学性能测试结果图；
[0036]图5为本专利技术对比例2中基于八面体桁架构型拓扑优化陶瓷骨架的实物图；
[0037]图6为本专利技术对比例2中基于八面体桁架构型拓扑优化陶瓷骨架在静态压缩载荷下的力学性能测试图。
具体实施方式
[0038]现详细说明本专利技术的多种示例性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：设计陶瓷骨架三维结构，使用3D打印技术制备陶瓷骨架，通过真空熔渗技术使熔融金属填充至所述陶瓷骨架周围空间。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)设计陶瓷骨架三维结构：绘制陶瓷骨架三维模型，对stl格式的陶瓷骨架三维模型进行切片处理，得到tdp文件；(2)3D打印陶瓷骨架：配制打印陶瓷骨架所需的陶瓷浆料，将所述tdp文件导入打印机，进行3D打印，打印完成后去除生坯上的支撑材料并进行醇洗，获得陶瓷骨架的生坯，将生坯进行干燥、排脂、烧结处理，得到3D打印的陶瓷骨架；(3)可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料的制备：将所述陶瓷骨架埋入金属粉体中，真空烧结，得到可设计金属/陶瓷双相三维连通防护材料。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤(1)所述陶瓷骨架三维模型的陶瓷骨架胞元包括点阵结构和极小曲面结构及其拓扑优化结构。4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤(1)所述陶瓷骨架三维模型的陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：何汝杰，张学勤，李营，方岱宁，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：