一种轻质装甲防弹板及其制备方法.pdf

本发明是一种轻质装甲防弹板及其制备方法，该装甲板采用三明治夹心结构，芯部板材为碳化硅、石墨烯复合增强的新型铝基复合材料，面板和背板分别为5083和7A21高强度铝合金，三者之间通过金属胶粘接。其中，芯部板材所采用的复合材料为石墨烯/碳化硅增强的铝基复合材料，采用压力浸渗工艺制备，浸渗骨架为混合均匀的碳化硅和石墨烯冷压块，本发明利用碳化硅和石墨烯的复合骨架浸渗铝合金获得芯部板材，利用碳化硅增强的同时，充分发挥了石墨烯对铝合金的增强和增韧作用，提高了芯部板材的抗弹性能，最终获得具有良好应用前景的轻质装甲板。

权利要求书1.  一种轻质装甲防弹板，该装甲防弹板为三层夹心结构，其特征在于：所述三层夹心结构的两侧分别是牌号为5083铝合金和7A21铝合金的板材，中间层为碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材，两侧板的厚度为10mm～20mm，中间层板的厚度为30mm～50mm，中间层板材的化学成分及重量百分比为：石墨烯与碳化硅混合物20％～60％，余量为铝合金，该铝合金基体的强度超过150MPa，石墨烯与碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～5％。2.  制备权利要求1所述轻质装甲防弹板的方法，其特征在于：该方法的步骤为：⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；⑵按石墨烯与碳化硅的重量百分关系称取碳化硅粉末，将碳化硅粉末添加到石墨烯均匀溶液中；⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯和碳化硅的混合物；⑸在室温下，将石墨烯和碳化硅的混合物装入冷压模具中，利用液压机压制成平板形实心骨架，压力为3～7MP；⑹将冷压成的平板形实心骨架装入到压力浸渗设备中，将用于制备中间层板的铝合金基体粉末按配比称量后置于坩埚中，分别加热平板形实心骨架和与铝合金基体粉末，其中，平板形实心骨架加热至300～400℃并保温，铝合金基体粉末加热至700～750℃成熔体后保温，通过惰性气体对该铝合金熔体施加5～10MPa的压力，并保持该压力状态 0.5～2h使铝合金熔体全部渗入平板形实心骨架中，然后将平板形实心骨架随炉冷却至室温，得到碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材；⑺用金属胶选用环氧改性型或无机硅酸盐型金属胶将5083铝合金板材、碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材及7A21铝合金板材粘接在一起，获得三层夹心结构的轻质复合装甲板。

说明书一种轻质装甲防弹板及其制备方法
技术领域
本发明是一种轻质装甲防弹板及其制备方法，属于轻质装甲防护材料领域。
背景技术
铝基复合材料的比强度和比刚度高，同时具有良好的高温性能和耐磨性，且热膨胀系数低。目前，铝基复合材料的增强体主要分为颗粒增强体和纤维增强体。纤维增强体不仅提高了铝基体的强度，还使其塑性得到改善。碳纳米管是一种重要的铝基纤维增强体，但其生产成本高，且利用碳纳米管进一步增强铝合金性能的潜力越来越小。
石墨烯是一种新型二维纳米材料，其强度高达1.01TPa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。与碳纳米管相比，具有更大的比强度、比表面积和更低的生产成本，有望代替碳纳米管成为未来复合材料中最理想的填料和增强体。因此，用石墨烯增强铝合金是进一步提高铝基复合材料性能的一个重要突破口。
装甲防护技术是武器装备系统生存能力之中最重要的组成部分，任何一项现代武器装备都离不开防护。优良的装甲防护系统能够使战机、坦克、装甲车及其它结构的主体及其中的人员安全得到更好的保护。目前，装甲板存在的主要问题是装甲板密度过重，增加了战机、坦克、装甲车的负担，使其机动性得不到充分发挥。将石墨烯增强的铝基复合材料用于装甲板领域，有望进一步降低装甲板的密度，优化轻质装甲板的性能。
压力浸渗工艺起始于20世纪60年代Charles Norman等对预制体的气体压力浸渗的工艺研究，随后的时间里，各国的研究者对浸渗工艺进 行了广泛而深入层次的研究。目前，我国已用压力浸渗工艺制备得到了氧化铝纤维增强铝合金复合材料、碳化硅增强铝复合材料、氧化铝—氧化硅增强铝—硅复合材料及钛合金复合材料等。气压浸渗是将骨架置于可排气的模具内，然后通过对密封模具内的液态铝施加气体压力，使铝液浸渗到骨架中去，从而制备出复合材料的方法。该方法是制备复合材料的常用方法之一，其制备的复合材料致密度高，力学性能高。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种轻质装甲防弹板及其制备方法，该方法中的“三明治”结构装甲板的芯部板材采用压力浸渗制备的碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材，两侧的面板和背板分别为5083和7A21高强度铝合金，三者之间通过金属胶粘接。这种高强度的轻质装甲板在航空、航天等领域均具有优异的工程应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案所述的轻质装甲防弹板为三层夹心结构，其特征在于：所述三层夹心结构的两侧分别是牌号为5083铝合金和7A21铝合金的板材，中间层为碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材，两侧板的厚度为10mm～20mm，中间层板的厚度为30mm～50mm，中间层板材的化学成分及重量百分比为：石墨烯与碳化硅混合物20％～60％，余量为铝合金，该铝合金基体的强度超过150MPa，石墨烯与碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～5％。
本发明提出的制备所述轻质装甲防弹板的方法的步骤为：
⑴将石墨烯与酒精溶液混合，石墨烯占混合溶液的重量百分比为0.5％～5％，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；
⑵按石墨烯与碳化硅的重量百分关系称取碳化硅粉末，将碳化硅粉末添加到石墨烯均匀溶液中；
⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20～40小时；
⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯和碳化硅的混合物；
⑸在室温下，将石墨烯和碳化硅的混合物装入冷压模具中，利用液压机压制成平板形实心骨架，压力为3～7MP；
⑹将冷压成的平板形实心骨架装入到压力浸渗设备中，将用于制备中间层板的铝合金基体粉末按配比称量后置于坩埚中，分别加热平板形实心骨架和与铝合金基体粉末，其中，平板形实心骨架加热至300～400℃并保温，铝合金基体粉末加热至700～750℃成熔体后保温，通过惰性气体对该铝合金熔体施加5～10MPa的压力，并保持该压力状态0.5～2h使铝合金熔体全部渗入平板形实心骨架中，然后将平板形实心骨架随炉冷却至室温，得到碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材；
⑺用金属胶选用环氧改性型或无机硅酸盐型金属胶将5083铝合金板材、碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材及7A21铝合金板材粘接在一起，获得三层夹心结构的轻质复合装甲板。
随着现代技术的发展，对装甲防弹材料提出更高的要求，传统工艺和传统的复合材料已经很难满足装甲材料的性能要求。如何从选用的材料上、结构上及工艺上提高装甲材料的性能是目前研究者遇到的难题。本发明针对上述问题，从装甲材料的选材、装甲材料的结构、及工艺上多方面同时考虑，通过采用压力浸渗的工艺，将石墨烯与碳化硅混合物与铝基材料复合，形成一个高强度的复合材料，利用该复合材料与高强度铝合金板材制备出一种轻质的“三明治”结构的装甲防弹板板材，很好的满足现在装甲防护材料的性能要求。
本发明与现有的装甲材料相比具有以下优点：
第一，本发明采用球磨的方式将石墨烯与陶瓷颗粒复合，通过高速的球磨珠将片状的纯石墨烯嵌入到陶瓷颗粒的表面，形成比较好的结合，同时石墨烯分散性可以得到保证；
第二，本发明利用石墨烯和碳化硅同时增强高强度铝合金制备轻质装甲，充分发挥了石墨烯、碳化硅颗粒的增强效果，同时采用密度较小铝合金材料，使制备的装甲板同时具有高强度和低密度的特点；
第三，本发明工艺简单，易于实现大批量大尺寸的石墨烯增强材料的制备，降低生产成本，具有优异的工程应用前景。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本实施例所述的轻质装甲防弹板为三层夹心结构，其特征在于：所述三层夹心结构的两侧分别是牌号为5083铝合金和7A21铝合金的板材，中间层为碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材，两侧板的厚度为10mm～20mm，中间层板的厚度为30mm～50mm，中间层板材的化学成分及重量百分比为：石墨烯与碳化硅混合物20％～60％，余量为铝合金，该铝合金基体的强度超过150MPa，石墨烯与碳化硅混合物中，石墨烯的重量百分比为0.3％～5％。
制备该轻质装甲防弹板的方法的步骤为：
⑴将5g石墨烯加入到1000ml酒精溶液中，利用超声波振荡制备出单分散的石墨烯均匀溶液；
⑵称取1000g碳化硅粉末，将碳化硅粉末添加到石墨烯均匀溶液中；
⑶将步骤⑵得到的混合溶液装入到球磨罐中，进行机械球磨，球磨时间为20小时；
⑷球磨结束后将混合溶液取出，装入到大烧杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯与碳化硅的混合物；
⑸在室温下，将石墨烯和碳化硅的混合物装入冷压模具中，利用液压机压制成平板形实心骨架，压力为3～7MP；
⑹将冷压成的平板形实心骨架装入到压力浸渗设备中，将用于制备中间层板的铝合金基体粉末按配比称量后置于坩埚中，分别加热平板形实心骨架和与铝合金基体粉末，其中，平板形实心骨架加热至350℃并保温，铝合金基体粉末加热至750℃成熔体后保温，通过惰性气体对该铝合金熔体施加10MPa的压力，并保持该压力状态2h使铝合金熔体全部渗入平板形实心骨架中，然后将平板形实心骨架随炉冷却至室温，得到碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材；
⑺用环氧改性型金属胶将5083铝合金板材、碳化硅和石墨烯混合增强的铝基复合材料板材及7A21铝合金板材粘接在一起，获得三层夹心结构的轻质复合装甲板。