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一种双层结构梯度复合材料及其制备方法和应用

专利类型 发明公开 法律事件 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202510063821.8 申请日 2025-01-15
公开(公告)号 CN119841655A 公开(公告)日 2025-04-18
申请人 烟台大学; 申请人类型 学校
发明人 李向明; 周丽; 郁万军; 孟庆宏; 冷惠文; 第一发明人 李向明
权利人 烟台大学 权利人类型 学校
当前权利人 烟台大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:山东省 城市 当前专利权人所在城市:山东省烟台市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:山东省烟台市莱山区清泉路30号 邮编 当前专利权人邮编:264005
主IPC国际分类 C04B35/80 所有IPC国际分类 C04B35/80C04B35/622C04B35/563F41H5/04B32B9/04B32B33/00B32B37/00B32B37/10B32B38/00
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 济南众德知识产权代理事务所 专利代理人 刘丽;
摘要 本 发明 属于抗弹材料技术领域,具体涉及一种双层结构梯度 碳 化 硼 复合材料 及其制备方法和应用,该材料包括碳化硼陶瓷层和碳 纤维 增韧碳化硼复合材料层,且由碳化硼沉积层结合成型,本发明提供的方法,既完成了 碳纤维 增韧碳化硼复合材料层的制备,又实现了碳化硼陶瓷层与碳纤维增韧碳化硼复合材料层的牢固结合,提高双层抗弹结构的抗弹效果;碳纤维增韧碳化硼复合材料层中,随着第1组、第2组、第3组、第4组碳纤维布的 热解 碳厚度以及 热处理 温度 和时间的递增,可使碳纤维增韧碳化硼复合材料层由第1组向第4组碳纤维布的方向表现 断裂韧性 递增的特点,有助于再次提高双层抗弹结构的抗弹效果。
权利要求

1.一种双层结构梯度复合材料,其特征在于,包括碳化硼陶瓷层和碳纤维增韧碳化硼复合材料层,且由碳化硼沉积层结合成型;
所述碳纤维增韧碳化硼复合材料层,由多组复合碳纤维布组成,每组复合碳纤维布由多张碳纤维布和依次沉积在碳纤维布表面的热解碳、碳化硼组成,以组为单位,热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增。
2.根据权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料,其特征在于,碳化硼沉积层、沉积在碳纤维布表面的热解碳上的碳化硼的厚度为60~90μm。
3.根据权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料,其特征在于,沉积在碳纤维布表面的热解碳的厚度为80~200nm。
4.根据权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料,其特征在于,双层结构梯度碳化硼复合材料厚度为26.5~29.8mm,其中碳化硼陶瓷层厚度为20mm,碳纤维增韧碳化硼复合材料层厚度为6.5~9.8mm。
5.根据权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料,其特征在于,所述复合碳纤维布为4组,每组复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布。
6.根据权利要求5所述的双层结构梯度碳化硼复合材料,其特征在于,4组复合碳纤维布中热解碳厚度,沿背离碳化硼陶瓷层方向,依次为80~110nm、110~140nm、140~170nm、
170~200nm。
7.一种如权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1840℃进行高温热处理60~100min,得到第一复合碳纤维布,其中每张碳纤维布表面的热解碳的厚度为
80‑200nm;
(2)热解碳厚度相同的第一复合碳纤维布作为一组,将多组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体;
(3)预成型体化学气相沉积碳化硼,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
8.根据权利要求7所述的双层结构梯度碳化硼复合材料的制备方法,其特征在于,操作如下:
(1)第1组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1780℃热处理60~70min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为80~110nm;
第2组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1780~1800℃热处理70~80min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为
110~140nm;
第3组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1800~1820℃热处理80~90min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为
140~170nm;
第4组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1820~1840℃热处理90~100min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为
170~200nm;
(2)将4组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体;
(3)预成型体化学气相沉积碳化硼,碳化硼的厚度为60~90μm,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
9.根据权利要求7所述的双层结构梯度碳化硼复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2),条纹的横截面为等腰梯形,等腰梯形的高度为0.5~0.8mm,上边长为0.3~0.5mm,下边长为0.9~1.2mm。
10.一种如权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料在抗弹材料上的应用。

说明书全文

一种双层结构梯度复合材料及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于抗弹材料技术领域,具体涉及一种双层结构梯度碳化硼复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 海面环境空旷,舰船在遭受反舰导弹攻击时无法躲避,只能依靠其装甲和外部的抗弹产品被动抵抗。随着反舰导弹战斗部装药技术的发展,战斗部爆炸形成的高速破片群具有很强的侵彻能。增大舰船的结构厚度可在一定程度上提高舰船的抗侵彻能力,但会增加船体的重量,削弱舰船的机动性。为了兼顾舰船的抗弹性能和机动性,亟需发展抗侵彻能力强且自重低的抗弹产品。
[0003] 、碳化硼、二硼化和碳化等陶瓷的密度远低于,而且具有硬度大和强度高的显著特点。由此类陶瓷制成的抗弹产品可在抵抗弹体侵彻的同时快速将弹体钝化、侵蚀和破碎。然而,由于此类陶瓷具有脆性高和拉伸强度低的不足,使其在抵抗弹体侵彻时无法大量吸能,继而导致抗弹效果不佳,因此在实际应用时通常将此类陶瓷作为面板,将其与具有高断裂韧性背板进行层合,形成双层结构的抗弹产品。
[0004] 现有的双层结构抗弹产品的背板主要为纤维增韧的聚合物基复合材料。此类复合材料因具有高断裂韧性可显著提高双层结构抗弹产品的抗弹效果。近期有研究表明:在背板具有高断裂韧性的同时,提高背板的硬度、强度和弹性模量可进一步提高双层结构抗弹产品的抗弹效果,并降低抗弹材料的背凸。然而,聚合物基复合材料背板由于其低的硬度和弹性模量,并不具备进一步提高双层结构抗弹产品抗弹效果的能力。通过理论计算获知:在提高背板的硬度和强度时,倘若能使背板的断裂韧性逐渐增大,抗弹产品的抗弹效果还有更大的提升空间。目前,尚无关于背板断裂韧性逐渐增大的研究报道。

发明内容

[0005] 为解决背景技术的问题,本发明提供一种双层结构梯度碳化硼复合材料及其制备方法和应用。
[0006] 本发明的技术方案如下:
[0007] 本发明提供一种双层结构梯度碳化硼复合材料,包括碳化硼陶瓷层和碳纤维增韧碳化硼复合材料层,且由碳化硼沉积层结合成型;
[0008] 所述碳纤维增韧碳化硼复合材料层,由多组复合碳纤维布组成,每组复合碳纤维布由多张碳纤维布和依次沉积在碳纤维布表面的热解碳、碳化硼组成,以组为单位,热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增。
[0009] 进一步的,碳化硼沉积层、沉积在碳纤维布表面的热解碳上的碳化硼的厚度为60~90μm。
[0010] 另外,沉积在碳纤维布表面的热解碳的厚度为80~200nm。
[0011] 双层结构梯度碳化硼复合材料厚度为26.5~29.8mm,其中碳化硼陶瓷层厚度为20mm,碳纤维增韧碳化硼复合材料层厚度为6.5~9.8mm。
[0012] 所述复合碳纤维布为4组,每组复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布。
[0013] 进一步的,4组复合碳纤维布中热解碳厚度,沿背离碳化硼陶瓷层方向,依次为80~110nm、110~140nm、140~170nm、170~200nm。
[0014] 本发明还提供一种所述的双层结构梯度碳化硼复合材料的制备方法,包括以下步骤:
[0015] (1)在每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1840℃进行高温热处理60~100min,得到第一复合碳纤维布,其中每张碳纤维布表面的热解碳的厚度为80‑200nm;
[0016] (2)热解碳厚度相同的第一复合碳纤维布作为一组,将多组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体;
[0017] (3)预成型体化学气相沉积碳化硼,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
[0018] 具体地,操作如下:
[0019] (1)第1组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1780℃热处理60~70min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为80~110nm;
[0020] 第2组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1780~1800℃热处理70~80min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为110~140nm;
[0021] 第3组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1800~1820℃热处理80~90min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为140~170nm;
[0022] 第4组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1820~1840℃热处理90~100min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为170~200nm;
[0023] (2)将4组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体;
[0024] (3)预成型体化学气相沉积碳化硼,碳化硼的厚度为60~90μm,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
[0025] 其中,所述步骤(2),条纹的横截面为等腰梯形,等腰梯形的高度为0.5~0.8mm,上边长为0.3~0.5mm,下边长为0.9~1.2mm。
[0026] 本发明还提供一种所述的双层结构梯度碳化硼复合材料在抗弹材料上的应用。
[0027] 有益效果
[0028] 本发明提供的方法,既完成了碳纤维增韧碳化硼复合材料层的制备,又实现了碳化硼陶瓷层与碳纤维增韧碳化硼复合材料层的牢固结合,得到的双层结构梯度碳化硼复合材料,可有效避免弹体在贯穿面板(即碳化硼陶瓷层)达到背板(即碳纤维增韧碳化硼复合材料层)时造成背板与面板分离,提高双层抗弹结构的抗弹效果。
[0029] 本发明提供的碳纤维增韧碳化硼复合材料层中,随着第1组、第2组、第3组、第4组碳纤维布的热解碳厚度以及热处理温度和时间的递增,可使碳纤维增韧碳化硼复合材料层由第1组向第4组碳纤维布的方向表现断裂韧性递增的特点,有助于再次提高双层抗弹结构的抗弹效果。
[0030] 本发明在碳纤维布上沉积热解碳可显著改善碳纤维的表面光滑度,提高所制备碳纤维增韧碳化硼复合材料的断裂韧性;另外,高温热处理可提高热解碳的石墨化程度,继而提高热解碳的润滑性,有助于进一步提高所制备复合材料的断裂韧性。附图说明
[0031] 图1为本发明的双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品的制备流程图
[0032] 图2为本发明的碳化硼陶瓷面板的背面加工条纹横截面几何图。
[0033] 图3为本发明的碳纤维布表面沉积热解碳前的碳纤维横截面电子显微照片。
[0034] 图4为本发明的碳纤维布表面沉积热解碳后的碳纤维横截面电子显微照片。
[0035] 图5为本发明采用化学气相沉积法制得的碳纤维增韧碳化硼复合材料的横截面电子显微照片。
[0036] 图6为本发明采用化学气相沉积法制得的碳纤维增韧碳化硼复合材料的界面高分辨透射照片。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
[0038] 针对纤维增韧聚合物复合材料的硬度和弹性模量低,导致其作为背板使用时无法充分发挥双层结构对提升抗弹产品的抗弹效果,以及关于背板断裂韧性逐渐增大尚属空白等问题,本发明提供了一种双层结构梯度碳化硼复合材料,包括碳化硼陶瓷层和碳纤维增韧碳化硼复合材料层,且由碳化硼沉积层结合成型。
[0039] 所述碳纤维增韧碳化硼复合材料层,由多组复合碳纤维布组成,每组复合碳纤维布由多张碳纤维布和依次沉积在碳纤维布表面的热解碳、碳化硼组成,以组为单位,热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增。
[0040] 进一步的,碳化硼沉积层、沉积在碳纤维布表面的热解碳上的碳化硼的厚度为60~90μm。
[0041] 另外,沉积在碳纤维布表面的热解碳的厚度为80~200nm。
[0042] 双层结构梯度碳化硼复合材料厚度为26.5~29.8mm,其中碳化硼陶瓷层厚度为20mm,碳纤维增韧碳化硼复合材料层厚度为6.5~9.8mm。
[0043] 所述复合碳纤维布为4组,每组复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布。
[0044] 4组复合碳纤维布中热解碳厚度,沿背离碳化硼陶瓷层方向,依次为80~110nm、110~140nm、140~170nm、170~200nm。
[0045] 上述双层结构梯度碳化硼复合材料,可有效避免弹体在贯穿面板(即碳化硼陶瓷层)达到背板(即碳纤维增韧碳化硼复合材料层与碳化硼沉积层,记为碳纤维增韧碳化硼陶瓷基复合材料)时造成背板与面板分离,提高双层抗弹结构的抗弹效果。
[0046] 其中,碳化硼陶瓷面板,采用热压或无压烧结法制成,可从市面购得成品。
[0047] 本发明还提供了一种如权利要求1所述的双层结构梯度碳化硼复合材料的制备方法,包括以下步骤:
[0048] (1)在每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1840℃进行高温热处理60~100min,得到第一复合碳纤维布,其中每张碳纤维布表面的热解碳的厚度为80‑200nm。
[0049] (2)热解碳厚度相同的第一复合碳纤维布作为一组,将多组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体。
[0050] 其中,条纹的横截面为等腰梯形,如图2所示,等腰梯形的高度为0.5~0.8mm,上边长为0.3~0.5mm,下边长为0.9~1.2mm。
[0051] (3)预成型体化学气相沉积碳化硼,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
[0052] 如图1所示,所述制备方法的具体操作如下:
[0053] (1)第1组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1760~1780℃热处理60~70min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为80~110nm;
[0054] 第2组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1780~1800℃热处理70~80min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为110~140nm;
[0055] 第3组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1800~1820℃热处理80~90min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为140~170nm;
[0056] 第4组第一复合碳纤维布包括6~9张碳纤维布,每张碳纤维布表面化学气相沉积热解碳后,置于氩气中,于1820~1840℃热处理90~100min,每张碳纤维布表面的热解碳厚度为170~200nm。
[0057] 碳纤维布表面沉积热解碳前的碳纤维横截面形貌如图3所示,第2组中碳纤维布表面沉积热解碳后的碳纤维横截面形貌如图4所示。可知,未沉积热解碳时,原始碳纤维的表面相对粗糙(图3),沉积热解碳可显著改善碳纤维的表面光滑度(图4),提高所制备复合材料层的断裂韧性。
[0058] 另外,高温热处理可提高热解碳的石墨化程度,继而提高热解碳的润滑性,有助于进一步提高所制备复合材料的断裂韧性。
[0059] (2)将4组第一复合碳纤维布按照热解碳厚度沿背离碳化硼陶瓷层方向递增的顺序,依次铺设于加工有条纹的碳化硼陶瓷层上,压实,得到预成型体。
[0060] 随着第1组、第2组、第3组、第4组碳纤维布的热解碳厚度以及热处理温度和时间的递增,可使本发明所制备的碳纤维增韧碳化硼复合材料背板由第1组向第4组碳纤维布的方向表现断裂韧性递增的特点,有助于再次提高双层抗弹结构的抗弹效果。
[0061] (3)预成型体化学气相沉积碳化硼,碳化硼的厚度为60~90μm,打磨修平,得到双层结构梯度碳化硼复合材料。
[0062] 本发明提供的方法,既完成了碳纤维增韧碳化硼复合材料层的制备,又实现了碳化硼陶瓷层与碳纤维增韧碳化硼复合材料层的牢固结合,得到的双层结构梯度碳化硼复合材料,可有效避免弹体在贯穿面板(即碳化硼陶瓷层)达到背板(即碳纤维增韧碳化硼复合材料层与碳化硼沉积层,记为碳纤维增韧碳化硼陶瓷基复合材料)时造成背板与面板分离,提高双层抗弹结构的抗弹效果。
[0063] 相较于其它制备方法,采用化学气相沉积法制备的双层结构梯度碳化硼复合材料具有力学性能可设计性强的优点,通过调整工艺参数能有效调节所制备复合材料的力学性能,以满足抗弹材料的抗弹要求。
[0064] 另外,由于化学气相沉积法具有净尺寸成型的特点,因此本发明制备方法具有成品率高的优点。
[0065] 本发明还提供了一种所述的双层结构梯度碳化硼复合材料在抗弹材料上的应用。
[0066] 将所述双层结构梯度碳化硼复合材料,作为抗弹产品,其中碳化硼陶瓷层为面板,碳纤维增韧碳化硼复合材料层与碳化硼沉积层,记为碳纤维增韧碳化硼陶瓷基复合材料,作为背板,具有良好的抗弹效果。
[0067] 以下结合实施例对本发明进行描述。实例中所使用的碳化硼陶瓷面板购自山东华3
恩新材料科技有限公司,经测试该碳化硼陶瓷面板的密度为2.51g/cm ,抗压强度为
1/2
2900MPa,维氏硬度为29.5GPa,断裂韧性为2.43MPa·m 。实施例中所使用的未沉积热解碳的碳纤维布(简称碳布)购自威海光威复合材料股份有限公司,该碳布是由编号为TZ300的碳纤维编制而成,碳纤维的拉伸强度为3530MPa,拉伸弹性模量为230GPa,断裂伸长为
1.5%,线密度为198g/km。
[0068] 实施例1
[0069] (1)在碳化硼陶瓷面板的背面均匀地加工出条纹,条纹的横截面为等腰梯形,梯形的高度为0.5mm,梯形的上边长为0.5mm,梯形的下边长为1.2mm;
[0070] (2)将碳布分为4组,每组包括9张碳布,采用化学气相沉积法对每张碳布沉积热解碳,其中第1、2、3、4组碳布的热解碳厚度分别为80,110,140和170nm;
[0071] (3)将沉积了热解碳的碳布置于氩气中进行热处理,其中第1、2、3、4组碳布热处理工艺分别为1780℃热处理60min,1800℃热处理70min,1820℃热处理80min和1840℃热处理90min;
[0072] (4)将碳化硼陶瓷面板的背面朝上,先后将步骤(3)得到的第1,2,3,4组碳布平铺在碳化硼陶瓷面板上;
[0073] (5)在步骤(4)的碳布上放置石墨,以将碳布与碳化硼陶瓷面板压实,并对步骤(4)的碳布和碳化硼陶瓷面板进行化学气相沉积碳化硼,控制碳布表面的碳化硼沉积厚度为60μm;
[0074] (6)利用磨床对步骤(5)制得的样品表面进行打磨修平,得到本发明所述双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品。
[0075] 采用化学气相沉积法沉积碳化硼后的横截面形貌如图5所示,第2组的界面高分辨透射照片如图6所示。
[0076] 实施例2
[0077] (1)在碳化硼陶瓷板的背面均匀地加工出条纹,条纹的横截面为等腰梯形,梯形的高度为0.6mm,梯形的上边长为0.4mm,梯形的下边长为1.1mm;
[0078] (2)将碳布分为4组,每组包括8张碳布,采用化学气相沉积法对每张碳布沉积热解碳,其中第1、2、3、4组碳布的热解碳厚度分别为90,120,150和180nm;
[0079] (3)将沉积了热解碳的碳布置于氩气中进行热处理,其中第1、2、3、4组碳布热处理工艺分别为1760℃热处理70min,1790℃热处理75min,1810℃热处理85min和1820℃热处理100min;
[0080] (4)将碳化硼陶瓷面板的背面朝上,先后将步骤(3)得到的第1,2,3,4组碳布平铺在碳化硼陶瓷面板上;
[0081] (5)在步骤(4)的碳布上放置石墨块,以将碳布与碳化硼陶瓷面板压实,并对步骤(4)的碳布和碳化硼陶瓷面板进行化学气相沉积碳化硼,控制碳布表面的碳化硼沉积厚度为70μm;
[0082] (6)利用磨床对步骤(5)制得的样品表面进行打磨修平,得到本发明所述双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品。
[0083] 实施例3
[0084] (1)在碳化硼陶瓷板的背面均匀地加工出条纹,条纹的横截面为等腰梯形,梯形的高度为0.7mm,梯形的上边长为0.4mm,梯形的下边长为1.0mm;
[0085] (2)将碳布分为4组,每组包括7张碳布,采用化学气相沉积法对每张碳布沉积热解碳,其中第1、2、3、4组碳布的热解碳厚度分别为100,130,160和190nm;
[0086] (3)将沉积了热解碳的碳布置于氩气中进行热处理,其中第1、2、3、4组碳布热处理工艺分别为1770℃热处理65min,1780℃热处理80min,1800℃热处理90min和1830℃热处理95min;
[0087] (4)将碳化硼陶瓷面板的背面朝上,先后将步骤(3)得到的第1,2,3,4组碳布平铺在碳化硼陶瓷面板上;
[0088] (5)在步骤(4)的碳布上放置石墨块,以将碳布与碳化硼陶瓷面板压实,并对步骤(4)的碳布和碳化硼陶瓷面板进行化学气相沉积碳化硼,控制碳布表面的碳化硼沉积厚度为80μm;
[0089] (6)利用磨床对步骤(5)制得的样品表面进行打磨修平,得到本发明所述双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品。
[0090] 实施例4
[0091] (1)在碳化硼陶瓷板的背面均匀地加工出条纹,条纹的横截面为等腰梯形,梯形的高度为0.8mm,梯形的上边长为0.3mm,梯形的下边长为0.9mm;
[0092] (2)将碳布分为4组,每组包括6张碳布,采用化学气相沉积法对每张碳布沉积热解碳,其中第1、2、3、4组碳布的热解碳厚度分别为110,140,170和200nm;
[0093] (3)将沉积了热解碳的碳布置于氩气中进行热处理,其中第1、2、3、4组碳布热处理工艺分别为1770℃热处理65min,1780℃热处理80min,1820℃热处理80min和1820℃热处理100min;
[0094] (4)将碳化硼陶瓷面板的背面朝上,先后将步骤(3)得到的第1,2,3,4组碳布平铺在碳化硼陶瓷面板上;
[0095] (5)在步骤(4)的碳布上放置石墨块,以将碳布与碳化硼陶瓷面板压实,并对步骤(4)的碳布和碳化硼陶瓷面板进行化学气相沉积碳化硼,控制碳布表面的碳化硼沉积厚度为90μm;
[0096] (6)利用磨床对步骤(5)制得的样品表面进行打磨修平,得到本发明所述双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品。
[0097] 特别说明,上述实施例中,步骤(1)和步骤(2)均属于材料准备阶段,无严格意义上的先后顺序。
[0098] 实验结果
[0099] 由于面板的力学性能是固定的,为了准确获知实施例1~4所制备碳纤维增韧碳化硼陶瓷复合材料的力学性能,将实施例1~4所制备样品的面板去掉,仅测试背板(即碳纤维增韧碳化硼复合材料层与碳化硼沉积层,记为碳纤维增韧碳化硼陶瓷基复合材料)的力学性能。其中,密度测试采用阿基米德排法,抗拉强度测试采用万能力学试验机。
[0100] 测试结果如表1所示。
[0101] 表1背板性能测试结果
[0102]
[0103] 致密碳化硼陶瓷密度约为2.52g/cm3,本发明所使用碳纤维的线密度为198g/km。由于碳纤维比碳化硼的密度小,所以从实施例1到实施例4,随着碳布层数的递减,以及化学
3 3
气相沉积碳化硼厚度的递增,复合材料的密度由1.92g/cm逐渐增至2.01g/cm。另外,复合材料的物理力学性能也在逐渐变化,具体表现为:层间抗拉强度由243MPa逐渐增至298MPa,
1/2 1/2 1/2
最大断裂韧性由14.3MPa·m 逐渐增至15.3MPa·m ,最小断裂韧性由11.5MPa·m 逐渐
1/2
增至12.4MPa·m 。可以看出,复合材料背板比碳化硼陶瓷面板的断裂韧性高的多,而且复合材料背板的断裂韧性具有梯度渐变的特点。
[0104] 对实施例1~4的双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品进行打靶测试。测试时,将碳化硼陶瓷板作为迎弹面,将碳纤维增韧碳化硼陶瓷复合材料作为背弹面,采用56式半自动步枪和7.62mm穿甲燃烧弹,子弹初速度约650m/s,打靶距离为15m,每个实施例测试3个样品,保守以成绩最差的样品作为抗弹评价结果。
[0105] 另外,设置了3个对比例,以便与实施例1~4的打靶效果对比。
[0106] 对比例1,对厚度为20mm的碳化硼陶瓷板进行打靶测试。
[0107] 对比例2,对厚度为30mm的碳化硼陶瓷板进行打靶测试。
[0108] 对比例3,与实施例1相比,不使用面板,每组碳纤维布均为27张,4组碳纤维布的处理与实施例1相同,制备出厚度为30mm的碳纤维增韧碳化硼陶瓷复合材料,并对该复合材料进行打靶测试。
[0109] 测试结果如表2所示。
[0110] 表2打靶测试结果
[0111]   实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1 对比例2 对比例3总厚度(mm) 29.8 28.7 27.6 26.5 20 30 30面板厚度(mm) 20 20 20 20 20 30 ‑
背板厚度(mm) 9.8 8.7 7.6 6.5 0 0 30
背凸(mm) 3.6 4.1 4.5 4.7 ‑ ‑ 13.2
实施效果 未穿透 未穿透 未穿透 未穿透 穿透 穿透 穿透
[0112] 由对比例1可知,子弹能够穿透厚度为20mm的碳化硼陶瓷板。从实施例1到实施例4,随着每组碳布层数的递减,虽然样品的背板厚度由9.8mm逐渐降至6.5mm,样品的总厚度随之由29.8mm逐渐降至26.5mm,但所有样品都表现出优异的抗弹效果。具体表现为:所有样品没有被子弹穿透,而且背凸很小,从实施例1到实施例4,样品的背凸仅由3.6mm逐渐增至
4.7mm。
[0113] 由对比例2可知,将碳化硼陶瓷板的厚度由20mm增至30mm,仍然无法抵抗子弹的穿透。另外,由对比例3可知,厚度为30mm的复合材料不但无法抵抗子弹的穿透,而且背凸高达13.2mm。
[0114] 综合上述实施例和对比例可以看出,采用本发明所述方法制备的双层结构梯度碳化硼复合抗弹产品不但具有优异的抗弹效果,而且具有更薄和更轻的特点。
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