专利名称:纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制作方法
技术领域：
本发明提供一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，属于装甲板技术领域：
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背景技术：
现有的防护装甲板主要有三种，第一种为由高强度合金钢制成的防护装甲板，这种防护装甲板韧性好，但是硬度低。第二种为由高韧性陶瓷制成的防护装甲板，这种防护装甲板密度小，硬度高，但是抗冲击性能差，在日常使用中，容易破碎，失去防护效果。第三种为金属/陶瓷胶水粘结复合的防护装甲板，金属板和陶瓷板结合的强度低，在高速弹丸的打击作用下，吸收弹丸能量的效果不理想，与第二种由高韧性陶瓷制成的防护装甲板一样，缺乏抗二次打击能力，而且胶水在阳光照射和潮湿的环境中容易失去粘结能力。最新公开的发明专利申请，申请号为200410098948.1，中国专利公开号CN1623770，
公开日为2005年6月8日发明创造的名称为金属/陶瓷层状复合材料防护板，提出了一种由多种金属和陶瓷焊接制成的金属/陶瓷层状复合结构的防护板，兼具金属材料的韧性和陶瓷材料的硬度。本发明在上述发明的基础之上改进而成，在金属/陶瓷层状复合材料内部通过特种连接工艺将石英纤维和碳纤维等高强度纤维复合进去，利用高强纤维很高的抗拉强度，对金属/陶瓷层状复合材料进一步增强，进一步提高其抗高速弹丸侵彻的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，提高防弹效果和使用可靠性，减轻防护板重量，改善复合防护板的抗二次打击性能。
本发明所述的防护板具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～1650℃温度下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。
其中，所述防护板的金属层是铝、钦、铁、镍及其合金制成的板材；所述防护板的纤维层，其纤维是石英纤维或碳纤维。所述防护板陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
其中，所述的活性铸接工艺是在600℃～1650℃高温下，通过物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起。所述的物理方法例如去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面张力实现对陶瓷材料的湿润，所述的化学方法是在熔液中加入锆、钛等能在高温下能和陶瓷发生化学反应的活性金属元素降低熔液表面张力，最终实现金属和陶瓷的连接。
所述的粉末烧结工艺是将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
所述的活性金属钎焊工艺是将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
本发明的优点和功效是它兼具金属材料、纤维材料和陶瓷材料各自的特点，不仅硬度高，抗撕裂能力好，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速弹丸打击的能力，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。
金属材料和陶瓷材料的热膨胀系数不同，两者在高温下通过活性铸接工艺和活性金属钎焊工艺焊接在一起，冷却到室温时，金属/陶瓷层状复合材料(简称金属陶)内部存在内应力，由于金属的热膨胀系数比陶瓷高，陶瓷受压应力作用，陶瓷材料的特点是抗压性能远远由于其抗拉伸性能，这种应力也会导致金属材料的原子晶格畸变，有效提高金属材料的硬度，金属陶内应力的存在对于提高其抗高速弹丸冲击的能力非常有利。石英纤维和碳纤维等高强度纤维具有很高的抗拉强度，高强度纤维断裂时会吸收更多的能量，本发明利用高强纤维对金属/陶瓷层状复合材料进行增强，可以利用纤维的高强度进一步提高防护板的抗撕裂性能，在防护板重量增加很少的情况下有效提高其防弹效果。
和普通的陶瓷防护板不同的是，本发明所述防护板在高速弹丸打击作用下表现出类似金属板的性能，具有抗二次击打能力，在高速弹丸打击下，陶瓷材料防护板通常都被打得粉碎，而本发明所述防护板在高速弹丸打击下除了被弹丸打击的部份被破坏以外，其他部份保持完整，仍然具有防护作用。
图1、为本发明活性金属钎焊工艺法制成的纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料示意图；图2、为本发明活性铸接工艺法制成的复合材料示意图；图3、为本发明粉末烧结工艺法制成的复合材料示意图。
图中标号如下1、金属材料层 2、纤维材料层 3、陶瓷层具体实施方式
本发明所述防护板对于高速弹丸的防护机理是当高速弹丸打击到本发明所述防护板表面时，最外层金属层在弹丸的侵彻下被破开，露出中间的陶瓷层，陶瓷材料的硬度要比弹丸的组成材料高很多，可以非常有效的对弹丸进行侵彻而损坏弹丸，降低弹丸的持续侵彻能力，陶瓷层在高速弹丸的打击下产生裂纹而破损，但是两边金属层通过焊接所形成的束缚作用防止陶瓷层上裂纹扩展，裂纹在扩展过程中，金属材料的塑性能够有效吸收弹丸打击的能量，进一步降低弹丸的侵彻能力，高强度纤维断裂可以吸收更多的能量，通过纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料具有更好的抗撕裂性能，对防护板后面的人体实现有效防护。
本发明所述的防护板具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～1650℃温度下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。
其中，所述的活性铸接工艺是在600℃～1650℃高温下，通过所述的物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起。
所述的粉末烧结工艺是将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
所述的活性金属钎焊工艺是将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
其中，所述防护板的金属层是铝、钦、铁、镍及其合金制成的板材；所述的防护板的纤维层是石英纤维和碳纤维；所述防护板的陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1本发明中所述的活性金属钎焊工艺的一种方式为；将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
制成的纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料如图1所示图1中的1是金属材料层，2是纤维层，3是陶瓷材料层，3种材料可以通过活性金属钎焊工艺制造而成，类似三明治的层状结构可以是单层也可以是多层。金属层的厚度为0.5～10mm，陶瓷层的厚度为1～20mm，纤维可以是单层也可以是多层。金属层的板材可以是一块完整板也可以由多块金属板拼缝焊接而成，纤维层可以是一块完整的纤维也可以是多块纤维拼缝焊接而成，陶瓷层的板材可以是一块完整板也可以是多块陶瓷板拼缝焊接而成。
本实施例的复合结构也可以通过活性铸接方法和粉末烧结方法制造而成。
实施例2本发明中所述的活性铸接工艺是指在600℃～1650℃高温下，通过所述物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起。
制成的复合材料如图2所示图2中的1为金属材料层，2为纤维材料层，类似的层状结构可以是单层也可以是多层叠加而成。金属层的厚度为0.5～10mm，纤维层可以是单层也可以由多层纤维叠放而成。金属层为一块完整的板材，纤维层可以是完整的一块也可以由多块纤维拼缝焊接而成。
本实施例的复合结构也可以通过活性金属钎焊方法和粉末烧结方法制造。
实施例3本发明所述的粉末烧结工艺的一种方式是将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
制成的复合材料如图3所示图3中的2为为纤维层，3为陶瓷层，类似的层状结构可以是单层也可以由多层叠加而成。陶瓷层的厚度为1～20mm，纤维层可以是单层也可以由多层纤维叠放而成。陶瓷层可以是一块完整的板材也可以由多块陶瓷板拼缝焊接而成，纤维层可以是完整的一块也可以由多块纤维拼缝焊接而成。
本实施例中的复合结构也可以通过活性金属钎焊法和活性铸接方法制造。
权利要求
1.一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，其特征在于该防护板具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，该三明治结构是在高温下将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。
2.根据权利要求
1所述一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制造方法，其特征在于该焊接通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺、活性金属钎焊工艺方法将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。
3.根据权利要求
2所述一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制造方法，其特征在于该活性铸接工艺是在600℃～1650℃高温下，通过物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起。
4.根据权利要求
2所述一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制造方法，其特征在于该粉末烧结工艺是将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
5.根据权利要求
2所述一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制造方法，其特征在于该活性金属钎焊工艺是将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
6.根据权利要求
3一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板的制造方法，其特征在于该物理和化学方法是，利用去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面张力实现对陶瓷材料的湿润；利用在熔液中加入锆、钛等能在高温下能和陶瓷发生化学反应的活性金属元素降低熔液表面张力，最终实现金属和陶瓷的连接。
7.根据权利要求
1所述纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，其特征在于所述高温为600℃～1650℃。
8.根据权利要求
1所述纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，其特征在于该防护板金属层是铝、钦、铁、镍及其合金制成的板材。
9.根据权利要求
1所述纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，其特征在于该防护板的纤维层，其纤维是石英纤维和或碳纤维。
10.根据权利要求
1所述纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，其特征在于该防护板陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
专利摘要
本发明提供了一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，属于装甲板技术领域：
。该防护板具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在高温下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。该防护板硬度高，抗撕裂能力好，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速弹丸打击的能力，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。
文档编号F41H5/04GKCN1924510SQ200610113399
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月27日
发明者彭榕 申请人:北京航空航天大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan