一种陶瓷纤维增强复合装甲材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202410074957.4 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117906439A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 江苏师范大学; | 发明人 | 周春鸣; 陈航; 张乐; 陈旭; 王思晴; 林生辉; 周天元; 陈浩; | ||||
| 摘要 | 一种陶瓷 纤维 增强复合装甲材料及其制备方法，该材料 自上而下 依次由镁 铝 尖晶石 透明玻璃陶瓷层、 莫来石 ‑尖晶石复相玻璃陶瓷层、玻璃纤维增强 复合材料 层、芳纶纤维增强复合材料层组成。采用非晶晶化法制备 镁铝尖晶石 透明玻璃陶瓷/莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷的复合玻璃陶瓷；将环 氧 树脂 、液体端羧基丁腈 橡胶 、 二氧化 硅 混合均匀加热后均匀散布于玻璃纤维之间、芳纶纤维之间， 固化 得到玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层；在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层、芳纶纤维增强复合材料层之间依次涂覆改性聚醚醚 酮 和填充改性高温陶瓷胶得到复合装甲材料。该方法所得装甲材料能提供全面的防护且具有防护能 力 足、轻质和高强度等特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种陶瓷纤维增强复合装甲材料，其特征在于，所述复合装甲材料为自上而下依次由镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层(1)、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层(2)、玻璃纤维增强复合材料层(3)、芳纶纤维增强复合材料层(4)组成的四层复合结构； |
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| 说明书全文 | 一种陶瓷纤维增强复合装甲材料及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于陶瓷复合装甲材料领域，具体涉及一种陶瓷纤维增强复合装甲材料及其制备方法。 背景技术[0002] 传统装甲材料一直采用整体式结构，通常是高硬度钢。然而，对个人防护轻型装甲的需求导致了对替代材料的研究。在过去几十年中，非金属材料如陶瓷和复合材料，被越来越多地应用于更高效的轻型装甲中。特别是由于陶瓷具有低密度、高硬度、高刚性和抗压强度等特点，使其在装甲领域得到广泛应用。目前，复合型轻质陶瓷装甲因其出色的防御性能被广泛应用于轻型车辆、飞机和直升机等领域。同时，复合型轻质陶瓷装甲还具备出色的耐磨损和抗冲击性能，能够有效抵御中口径弹丸的攻击，为使用者提供更高的生存能力和战场优势。但陶瓷材料也存在成型尺寸较小、塑性差、断裂强度低等不足，使陶瓷不能作为均质防弹材料单独应用，必须有背板对其支撑，例如：专利“一种梯度连接的三维预应力陶瓷复合装甲及其制备方法(CN202210368147.0)”、文献“Krishnan K,Sockalingam S,Bansal S,et al.Numerical simulation of ceramic composite armor subjected to ballistic impact[J].Composites Part B:Engineering,2010,41(8):583‑593.”均采用陶瓷/金属及陶瓷/复合材料等双层或多层结构。这些结构能够满足坦克基本的防弹要求，然而在面对小口径穿甲弹时，却无法连续有效地抵御多发穿甲弹的射击，特别是在面对高密度的火力覆盖时，当前复合装甲的防护能力表现出较大的不足。 发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种陶瓷纤维增强复合装甲材料及其制备方法，该方法可实现复合材料层的快速连接，提高生产效率；所制备得到的复合装甲材料能够提供全面的防护且具有防护能力足、轻质和高强度等特点。 [0004] 本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种陶瓷纤维增强复合装甲材料，所述复合装甲材料为自上而下依次由镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层、玻璃纤维增强复合材料层、芳纶纤维增强复合材料层组成的四层复合结构；所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层为面板，芳纶纤维增强复合材料层作为背板；所述玻璃纤维增强复合材料层由玻璃纤维和改性环氧树脂制备而成；所述芳纶纤维增强复合材料层由芳纶纤维和改性环氧树脂制备而成。 [0005] 优选的，所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层、玻璃纤维增强复合材料层、芳纶纤维增强复合材料层的厚度分别为6～8mm、4～6mm、2～4mm、5～7mm。 [0006] 为实现上述发明目的，本发明还提供上述陶瓷纤维增强复合装甲材料的制备方法，包括以下步骤： [0007] S1、按照化学式MgO·Al2O3分别称取MgO和Al2O3粉体作为陶瓷粉体，并加入陶瓷粉体总质量的4～8％的P2O5作为晶核剂，加入陶瓷粉体总质量的6～10％CaO作为改性剂，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1850～1950℃保温2～4h后倒入预热的模具中，得到前驱体镁铝尖晶石玻璃； [0008] S2、按照化学式Al2O3·SiO2分别称取Al2O3和SiO2粉体作为陶瓷粉体，并分别加入陶瓷粉体总质量的4～8％的B2O5作为晶核剂、6～10％的BaO作为改性剂以及2～6％ ZrO2为网络外体，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1650～1750℃保温1～3h后倒入盛有前驱体镁铝尖晶石玻璃的模具中，然后在1120～1140℃下保温30～70min得到两层紧密相连的镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷和莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷组成的复合玻璃陶瓷； [0009] S3、制备玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层：将环氧树脂、液体端羧基丁腈橡胶、二氧化硅混合均匀后加热至温度为115℃～125℃，得到低粘度改性环氧树脂，将低粘度改性环氧树脂均匀散布于玻璃纤维之间、芳纶纤维之间，并在压力为0.3MPa～0.5MPa及温度为50℃～60℃的条件下，固化2h～3h，得到玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层； [0010] S4、在步骤S2制备得到的复合玻璃陶瓷、步骤S3制备得到的玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层之间依次涂覆改性聚醚醚酮和填充改性高温陶瓷胶，得到复合装甲材料。 [0011] 优选的，步骤S3中，环氧树脂、液体端羧基丁腈橡胶、二氧化硅分别占低粘度改性环氧树脂总质量的50～60wt％、20～30wt％、10～30wt％。 [0012] 优选的，步骤S3中，低粘度改性环氧树脂与玻璃纤维、芳纶纤维之间的质量比为1：(0.8～1)：(0.8～1)。 [0013] 优选的，步骤S4中，改性聚醚醚酮由80～90％的聚醚醚酮、10～20％的玻璃纤维混合组成。 [0014] 优选的，步骤S4中，改性高温陶瓷胶为商业HN‑747耐450℃高温胶。 [0015] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0016] 1、本发明采用非晶晶化法制备了紧密相连的镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷/莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷的复合玻璃陶瓷，镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层作为防弹面板具有较高的硬度和强度，能够抵御弹道冲击和防护对象的攻击，有效地阻挡和减缓来自子弹、碎片和其他威胁的冲击力，并能够抵御化学物质的腐蚀，保持其透明性和防护性能的稳定；莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷的高强度和耐磨损性能可以增加装甲的耐久性和使用寿命，能够抵御长时间的冲击和损伤，延缓装甲的破坏过程，提高装甲的可靠性和持久性。 [0017] 2、本发明中玻璃纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料作为结构支撑和背板，能够吸收冲击能量，并将其分散到更大的面积上，从而减轻了冲击对后续装甲层的影响，减轻了整体装甲的质量；同时具有较高的可塑性和灵活性，可以根据需要进行设计和制造，以适应不同形状和结构的装甲需求。 [0018] 3、在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层之间涂覆改性聚醚醚酮(PEEK)，可有效提升材料的硬度、刚性及尺寸的稳定性；同时采用改性高温陶瓷胶作为粘结剂来实现复合材料层的快速连接，可以减少层与层之间的空隙，提高装甲整体的粘结强度，减少材料层之间的界面损伤，延长装甲的使用寿命。附图说明 [0019] 图1为本发明所制得的陶瓷纤维增强复合装甲材料的截面示意图； [0020] 图2为本发明实施例1所制得的陶瓷纤维增强复合装甲材料中镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层的SEM图； [0021] 图3为本发明实施例1所制得的陶瓷纤维增强复合装甲材料中莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层的SEM图。 具体实施方式[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 [0023] 以下实施例中使用的改性高温陶瓷胶均为商业HN‑747耐450℃高温胶。 [0024] 实施例1 [0025] 如图1所示，一种陶瓷纤维增强复合装甲材料，所述复合装甲材料为自上而下依次由镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4组成的四层复合结构； [0026] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1为面板，芳纶纤维增强复合材料层4作为背板；所述玻璃纤维增强复合材料层3由玻璃纤维和改性环氧树脂制备而成；所述芳纶纤维增强复合材料层4由芳纶纤维和改性环氧树脂制备而成。 [0027] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4的厚度分别为6mm、4mm、2mm、5mm。 [0028] 上述陶瓷纤维增强复合装甲材料的制备方法，包括以下步骤： [0029] S1、按照化学式MgO·Al2O3分别称取MgO和Al2O3粉体作为陶瓷粉体，并加入陶瓷粉体总质量的4％的P2O5作为晶核剂，加入陶瓷粉体总质量的6％的CaO作为改性剂，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1850℃保温2h后倒入预热的模具中，得到前驱体镁铝尖晶石玻璃； [0030] S2、按照化学式Al2O3·SiO2分别称取Al2O3和SiO2粉体作为陶瓷粉体，并分别加入陶瓷粉体总质量的4％的B2O5作为晶核剂、6％的BaO作为改性剂以及2％ZrO2作为网络外体，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1650℃保温1h后倒入盛有前驱体镁铝尖晶石玻璃的模具中，然后在1120℃下保温30min得到两层紧密相连的镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷(厚度6mm)和莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷(厚度4mm)组成的复合玻璃陶瓷； [0031] S3、制备玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4：将50wt％的环氧树脂、20wt％的液体端羧基丁腈橡胶、30wt％的二氧化硅混合均匀后加热至温度为115℃，得到低粘度改性环氧树脂，将低粘度改性环氧树脂均匀散布于玻璃纤维之间、芳纶纤维之间，并在压力为0.3MPa及温度为50℃的条件下，固化2h，得到2mm厚的玻璃纤维增强复合材料层3和5mm厚的芳纶纤维增强复合材料层4；低粘度改性环氧树脂与玻璃纤维、芳纶纤维之间的质量比为1：0.8：0.8； [0032] S4、在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4之间涂覆由80％聚醚醚酮、20％玻璃纤维混合的改性聚醚醚酮(PEEK)，然后在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层之间填充改性高温陶瓷胶进行胶接，得到复合装甲材料。 [0033] 图2为本实施例中透明玻璃陶瓷层的SEM，从中可以看到晶化后生长的晶粒，微晶玻璃可以减缓来自子弹的冲击力。图3为本实施例中莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层的SEM，纳米纤维能够提高强度和刚性，抵御长时间的冲击和损伤，延缓装甲的破坏过程。其复合装2 甲的总质量为2.2kg，面密度为1.34g/cm ，通过模拟计算，当枪弹的初速度分别为695m/s时，平均子弹侵彻剩余厚度为3.1mm。 [0034] 实施例2 [0035] 如图1所示，一种陶瓷纤维增强复合装甲材料，所述复合装甲材料为自上而下依次由镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4组成的四层复合结构； [0036] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1为面板，芳纶纤维增强复合材料层4作为背板；所述玻璃纤维增强复合材料层3由玻璃纤维和改性环氧树脂制备而成；所述芳纶纤维增强复合材料层4由芳纶纤维和改性环氧树脂制备而成。 [0037] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4的厚度分别为7mm、5mm、3mm、6mm。 [0038] 上述陶瓷纤维增强复合装甲材料的制备方法，包括以下步骤： [0039] S1、按照化学式MgO·Al2O3分别称取MgO和Al2O3粉体作为陶瓷粉体，并加入陶瓷粉体总质量的6％的P2O5作为晶核剂，加入陶瓷粉体总质量的8％的CaO作为改性剂，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1900℃保温3h后倒入预热的模具中，得到前驱体镁铝尖晶石玻璃； [0040] S2、按照化学式Al2O3·SiO2分别称取Al2O3和SiO2粉体作为陶瓷粉体，并分别加入陶瓷粉体总质量的6％的B2O5作为晶核剂、8％的BaO作为改性剂以及4％ZrO2作为网络外体，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1700℃保温2h后倒入盛有前驱体镁铝尖晶石玻璃的模具中，然后在1130℃下保温50min得到两层紧密相连的镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷(厚度7mm)和莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷(厚度5mm)组成的复合玻璃陶瓷； [0041] S3、制备玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4：将55wt％的环氧树脂、25wt％的液体端羧基丁腈橡胶、20wt％的二氧化硅混合均匀后加热至温度为120℃，得到低粘度改性环氧树脂，将低粘度改性环氧树脂均匀散布于玻璃纤维之间、芳纶纤维之间，并在压力为0.4MPa及温度为55℃的条件下，固化2.5h，得到3mm厚的玻璃纤维增强复合材料层3和6mm厚的芳纶纤维增强复合材料层4；低粘度改性环氧树脂与玻璃纤维、芳纶纤维之间的质量比为1：0.9：0.9； [0042] S4、在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4之间涂覆由85％聚醚醚酮、15％玻璃纤维混合的改性聚醚醚酮(PEEK)，然后在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层之间填充改性高温陶瓷胶进行胶接，得到复合装甲材料。 [0043] 复合装甲的总质量为2.8kg，面密度为1.36g/cm2，总质量对比实施例1增加了27％。通过模拟计算，当枪弹的初速度分别为695m/s时，平均子弹侵彻剩余厚度为7.6mm，子弹侵彻剩余厚度对比实施例1增加了145.16％，说明本实施例所制备得到的复合装甲材料的防护性能高于实施例1所制备得到的复合装甲材料的防护性能。这是因为复合玻璃陶瓷层、玻璃纤维增强复合材料层以及芳纶纤维增强复合材料层厚度均得到了增加，有效降低了子弹的侵彻厚度。 [0044] 实施例3 [0045] 如图1所示，一种陶瓷纤维增强复合装甲材料，所述复合装甲材料为自上而下依次由镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4组成的四层复合结构； [0046] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1为面板，芳纶纤维增强复合材料层4作为背板；所述玻璃纤维增强复合材料层3由玻璃纤维和改性环氧树脂制备而成；所述芳纶纤维增强复合材料层4由芳纶纤维和改性环氧树脂制备而成。 [0047] 所述镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷层1、莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷层2、玻璃纤维增强复合材料层3、芳纶纤维增强复合材料层4的厚度分别为8mm、6mm、4mm、7mm。 [0048] 上述陶瓷纤维增强复合装甲材料的制备方法，包括以下步骤： [0049] S1、按照化学式MgO·Al2O3分别称取MgO和Al2O3粉体作为陶瓷粉体，并加入陶瓷粉体总质量的8％的P2O5作为晶核剂，加入陶瓷粉体总质量的10％的CaO作为改性剂，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1950℃保温4h后倒入预热的模具中，得到前驱体镁铝尖晶石玻璃； [0050] S2、按照化学式Al2O3·SiO2分别称取Al2O3和SiO2粉体作为陶瓷粉体，并分别加入陶瓷粉体总质量的8％的B2O5作为晶核剂、10％的BaO作为改性剂以及6％ ZrO2作为网络外体，在研磨钵中研磨均匀得到混合粉体；采用非晶晶化法，在1750℃保温3h后倒入盛有前驱体镁铝尖晶石玻璃的模具中，然后在1140℃下保温70min得到两层紧密相连的镁铝尖晶石透明玻璃陶瓷(厚度8mm)和莫来石‑尖晶石复相玻璃陶瓷(厚度6mm)组成的复合玻璃陶瓷； [0051] S3、制备玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4：将60wt％的环氧树脂、30wt％的液体端羧基丁腈橡胶、10wt％的二氧化硅混合均匀后加热至温度为125℃，得到低粘度改性环氧树脂，将低粘度改性环氧树脂均匀散布于玻璃纤维之间、芳纶纤维之间，并在压力为0.5MPa及温度为60℃的条件下，固化3h，得到4mm厚的玻璃纤维增强复合材料层3和7mm厚的芳纶纤维增强复合材料层4；低粘度改性环氧树脂与玻璃纤维、芳纶纤维之间的质量比为1：1：1； [0052] S4、在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层3和芳纶纤维增强复合材料层4之间涂覆由90％聚醚醚酮、10％玻璃纤维混合的改性聚醚醚酮(PEEK)，然后在复合玻璃陶瓷、玻璃纤维增强复合材料层和芳纶纤维增强复合材料层之间填充改性高温陶瓷胶进行胶接，得到复合装甲材料。 [0053] 复合装甲的总质量为3.6kg，面密度为1.37g/cm2，总质量对比实施例1增加了63％。通过模拟计算，当枪弹的初速度分别为695m/s时，平均子弹侵彻剩余厚度为11.2mm，子弹侵彻剩余厚度对比实施例1增加了261％，说明本实施例所制备得到的复合装甲材料的防护性能高于实施例1所制备得到的复合装甲材料的防护性能。这是因为复合玻璃陶瓷层、玻璃纤维增强复合材料层以及芳纶纤维增强复合材料层厚度均得到了增加，有效降低了子弹的侵彻厚度。 [0054] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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