一种复合装甲材料及其制备方法与流程

文档序号：11506898阅读：429来源：国知局

本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种复合装甲材料及其制备方法。

背景技术：

石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130gpa。因此，利用石墨烯的高强度，并将其与金属材料复合，制备成石墨烯金属复合装甲材料，是一种新型的高强高韧金属基复合装甲材料。

目前石墨烯与金属复合的工艺方法主要有两种：熔融铸造法和粉末冶金法。采用熔融铸造法制备石墨烯钛复合装甲材料时，由于石墨烯二者密度差异大，石墨烯很难在钛液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，恶化材料性能。因此石墨烯钛复合装甲材料较少采用熔融铸造法来制备。采用粉末冶金法制备石墨烯钛复合装甲材料时，需要首先获得石墨烯和钛合金均匀混合的粉体，然后通过后续的压力加工来制备石墨烯钛复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。因此，石墨烯钛复合装甲材料一般采用粉末冶金法来制备。

目前，轻型装甲车一直采用钢制防弹装甲，武装直升飞机采用钛合金防弹装甲。但是未来战争对陆军的远程投送能力、武装直升飞机的有效载荷能力都提出越来越高的要求，这就对装备重量提出了严苛要求，使得以前使用的钢制装甲和钛合金装甲已不能满足未来武器装备发展的需要。因此需要提供一种密度低，成本低，易批量生产的复合装甲材料。

对于钛基复合装甲材料来说，增强相在钛基体中的分布是否均匀、增强相是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合装甲材料性能的优劣。石墨烯存在尺寸小，比表面积大，很难分散，很容易团聚的问题，因此，石墨烯在钛基体中的均匀分散如何实现，是制备石墨烯钛复合装甲材料需要突破的关键技术。尤其是采用粉末冶金法制备石墨烯钛复合装甲材料时，如何获得石墨烯在钛合金粉体中均匀分散的混合粉体，是制备高品质石墨烯钛复合装甲材料的前提和基础。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种复合装甲材料的制备方法及装置，该方法及装置对石墨烯与钛和/或钛合金粉末混合方法进行改进，是一种新的工艺和方法，本方法及装置可将石墨烯纳米片均匀地包覆在金属粉体的表面，实现石墨烯与金属粉体的均匀混合。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种复合装甲材料，其特征在于，所述钛合金包括按质量百分比的下述组分：c≤0.05％；si≤0.1％；fe≤0.15％；n≤0.03％；h≤0.015％；o≤0.15％；余量为ti和不可避免的杂质。

进一步地，所述钛合金包括按质量百分比的下述组分：al：5.5％-6.8％；v：3.5％-4.5％；c≤0.1；fe≤0.3％；n≤0.05％；h≤0.015％；o≤0.2％；余量为ti和不可避免的杂质。

进一步地，所述钛合金包括按质量百分比的下述组分：al：6.0％。

进一步地，所述钛合金包括按质量百分比的下述组分：v：4.0％。

一种复合装甲材料的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1)制备石墨烯层数小于10的纳米片有机溶液：于7000～9000rpm转速、线速度85～115m/s下的纳米材料高速分撒匀质机中，对分散于有机溶液的石墨烯进行处理；

2)石墨烯包覆钛和/或钛合金粉末：用花洒网眼尺寸为60～280μm的喷淋装置将步骤1)的石墨烯纳米片有机溶液雾化喷洒于在混合机中高速旋转的钛和/或钛合金粉末上；

3)于混合机中对包覆后的石墨烯/钛合金粉末混合20～100min，即得复合装甲材料。

进一步地，所述方法制备的石墨烯包覆的钛合金粉末中，按质量百分数计含：石墨烯0.05％～9％，钛和/或钛合金91％～99.95％；所述钛和/或钛合金粉末的粒径为10～100μm。

进一步地，所述花洒网眼尺寸为100μm～200μm；所述纳米材料高速分撒匀质机的转速为8000rpm，线速度为100m/s。

进一步地，所述混合机的转速为1000rpm。

进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为包括乙醇、npm、聚乙二醇和/或pvp中的一种或多种，所述有机溶剂的浓度为20％～100％。

进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为无水乙醇。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，实现了石墨烯在钛合金粉体表面的包覆，有利于在石墨烯金属复合装甲材料中形成高质量的石墨烯金属界面结合。

2、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，石墨烯不容易发生团聚，无二次团聚和重新凝固分散的现象。

3、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，无需凝固、无需碾压，避免形成板结或团聚。

4、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，无需振动和筛分，从而避免了由此带来的石墨烯和钛合金粉末的分布不均。

5、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，工艺操作简单、制造成本低廉、生产效率高。

6、本发明提供的一种复合装甲材料、制备方法及制备装置，无需加热也无需烘干，使石墨烯更好的在钛合金粉体表面包覆，即环保安全，又缩短制备周期。

附图说明

图1本发明实施例提供的一种复合装甲材料的制备装置的纳米材料高速分撒匀质机结构示意图；

图2为本发明实施例制得的石墨烯/铝合金复合装甲材料的扫描电镜(sem)；

图3为本发明对比例制得的石墨烯/铝合金复合装甲材料的扫描电镜(sem)。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种石墨烯/钛合金复合装甲材料的制备装置，该装置包括纳米材料高速分散匀质机，包括物料缸(1)，物料缸(1)外部套有水套(17)。物料缸上设有上盖板(2)，上盖板、物料缸上分别设有进液口(3)、出液口(4)，其特征在于所述的物料缸(1)内通过有转子轴(5)，转子轴(5)下端通过套管(14)连接有带帽螺母(15)，带帽螺母固定有刮底刮刀(16)，刮底刮刀位于物料缸(1)的内底部。转子轴连接驱动装置，转子轴上固定有转子(6)，所述的转子(6)内部设有液流分配器(12)，液流分配器为圆盘形，其壁上开有成螺旋形分布的螺旋槽(13)；转子外设有定子(7)，定子固定在定子固定架(8)上；转子为一个杯形轮，转子内设有多个空腔(9)，转子的外圆开有偶数组的直齿齿形槽(10)，每组直齿齿形槽为2条以上；定子为空心圆柱体，其壁上均匀分布有2条以上的斜齿齿形槽(11)；驱动装置包括有与转子轴(5)连接有皮带传动轮(18)，皮带传动轮设在上底座(19)上，皮带传动轮连接电机(20)。上底座(19)连接有液压升降器(21)。水套(17)上设有拉杆(22)，物料缸(1)的底部连接有滚轮(23)。

实施例2：

本实施例提供一种石墨烯/钛合金复合装甲材料的制备方法，具体步骤如下：

石墨烯包覆钛合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯0.05％，钛合金99.95％。石墨烯可以由hummer’s法制备。钛合金为按质量百分比的下述组分：c：0.05％；si：0.05％；h：0.015％；o；0.15％；余量为ti和不可避免的杂质；钛合金粉末的粒径为10μm。

1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，然后置于转速为9000rpm，线速度为115m/s的纳米材料高速分撒匀质机中，得到离心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸为100μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在700rpm的高效混合机中旋转的钛和/或钛合金粉末；其中，可以通过冷凝回收装置回收挥发溶剂，也可以通过其他方式实现回收和再利用，这里不做具体限定。

3)石墨烯酒精溶液全部喷洒完成后，保持高效混合机继续运行20min；

4)将混合均匀的石墨烯包覆钛合金的粉末从高效混合机中取出。

实施例3：

石墨烯包覆钛合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯6％，钛合金94％。钛合金为按质量百分比的下述组分：c；0.03％；fe；0.15％；n；0.02％；o；0.12％；余量为ti和不可避免的杂质。钛合金粉末的粒径为45μm。

1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，然后置于转速为8000rpm，线速度为100m/s的纳米材料高速分撒匀质机中，得到离心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸200μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的钛和/或钛合金粉末；

3)石墨烯酒精溶液全部喷洒完成后，保持高效混合机继续运行40min；