基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构及其制造方法

本发明涉及复合材料制备领域，具体涉及基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构和制造方法。

背景技术：

1、目前常见的装甲防护主要是均质材料，但均质装甲防护性能好的同时质量随之增加，并且很多均质材料在高速冲击作用下会造成绝热剪切使得失效。目前学者主要针对钛合金的绝热剪切进行了相关研究。钛合金存在绝热剪切敏感会导致抗弹性能的下降。更有学者进行复合装甲的研究，一般的复合装甲主要由面板和背板构成，两者之间用胶粘剂粘结，不属于整体结构，易出现分层现象从而在防护方面表现出不足。复合装甲为更好满足装甲车的轻量化要求且抑制绝热剪切的形成，选择进行结构设计从而制备高强轻质复合材料受到广泛关注。

2、专利号cn104018106a公开了一种降低热轧tc4钛合金绝热剪切敏感性的快速热处理方法。该发明是在热轧双态组织tc4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结设备中进行热处理，处理后的材料发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值提高了54％以上，但该钛合金型材的抗冲击性能提高有限，仅限单一结构适用。专利号为cn106583908b的专利提出了一种层状高强轻质钛铝复合板及其制备方法，提供了一种“爆炸+轧制”的复合板制备实现钛、铝初步复合，再通过冷轧-热处理过程，使得ta18强度提高和消除爆炸应力，这种制备方式仅能实现单一简单叠加复合结构。专利号为cn115648621a的专利提出一种复合材料的叠层增材制造方法及设备，经复合材料原料混合、片状复合材料制备、片状堆积、固化处理后得到该叠层复合材料，这使得增材制造成品整体一致性和工作效率高，但由于粘合剂作为中间连接介质，容易使得与本体结合不稳定造成开裂且不能进行复杂结构。有文献对陶瓷-钛合金复合结构进行了优化设计与试验研究，表明陶瓷脆性材料能有助于更好吸收能量，阻隔绝热剪切，但陶瓷的特性使得无法利用增材制造的方法获得小尺度上抑制绝热剪切产生的结构。因此制备出阻碍绝热剪切的复合材料成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构及其制造方法，以克服以上无法解决的问题，获得具有高绝热剪切阻隔结构的高强轻质复合防护材料。

2、本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

3、基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构及其设计方法，该阻隔结构由x个呈阵列分布的阻隔结构单元连接构成，x≥1，每一个阻隔结构单元由三层组成，两外层为韧性材料层，中间层为韧性材料/金属间化合物复合层，其中，每一个阻隔结构单元具体为：

4、(1)以韧性材料层作为第一外层即底层；

5、(2)以韧性材料/金属间化合物复合层作为中间层，中间层包括韧性材料区域和位于韧性材料区域内的阻隔层，阻隔层由多个均匀分布的不相连的阻隔层单元构成，其中，每一个阻隔层单元由两个弯折部垂直设置构成；

6、(3)以韧性材料层作为第二外层即顶层。

7、较佳的，韧性材料层中的韧性材料为钛合金或装甲钢。

8、较佳的，韧性材料区域上设置韧性材料，韧性材料区域中设置的韧性材料与韧性材料层的材质一致。

9、较佳的，阻隔层采用钛铝、钛镍、钛铁合金中任意一种。

10、较佳的，每一个阻隔层单元由两个弯折部垂直设置构成是指阻隔层单元中的第一弯折部和第二弯折部呈垂直设置，第一弯折部和第二弯折部形状相同，且其中心重合，其中，所述的弯折部由呈一定角度θ1连接的第一折部和第二折部组成。

11、具体的，θ1为0～180°。

12、具体的，弯折部中的折部为弧形或条形中任意。

13、较佳的，两个弯折部的间距为弹丸直径的5/11～7/11。

14、较佳的，该阻隔结构由x个呈阵列分布的阻隔结构单元连接构成，其中，阻隔结构单元的个数x根据如下公式确定：

15、当阻隔结构为正方形，x＝(l/200+1)2，其中，l为阻隔结构的边长，l/200取整数；

16、当阻隔结构为矩形，x＝(a/200+1)*(b/200+1)，其中，a为阻隔结构的长，b为阻隔结构的宽，a/200、b/200均取整数。

17、较佳的，阻隔层由n*m个呈阵列分布的阻隔层单元构成。

18、较佳的，韧性材料区域由外部韧性材料区域和与阻隔层连接的内部韧性材料区域构成，其中，外部韧性材料区域的宽度为弹丸直径的4/11-6/11。。

19、较佳的，第一外层厚度为20～30毫米；第二外层厚度为5～15毫米；中间层厚度为15～25毫米。

20、基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构的制造方法，采用丝材增材制造技术，按上述阻隔结构规划路线，包括如下步骤：

21、(1)在基底上增材制备韧性材料层作为底层；

22、(2)在底层上先在外部韧性材料区域增材制备一定高度的韧性材料，接着其它区域增材制备阻隔层单元的第一弯折部，然后将基底旋转90°，沉积路径不变，再增材制备阻隔层单元的第二弯折部，最后在内部韧性材料区域增材制备一定高度的韧性材料，完成一次单元沉积，按所述步骤往复沉积，直至得到中间层；

23、(3)最后增材制备韧性材料层作为顶层。

24、较佳的，制备韧性材料层时以钛丝或钢丝作为丝材。

25、较佳的，制备外部韧性材料区域和内部韧性材料区域时以钛丝或钢丝作为丝材。

26、较佳的，制备阻隔层单元时分别以钛丝和铝丝作为丝材，或分别以钛丝和铁丝作为丝材，或分别以钛丝和镍丝作为丝材。

27、较佳的，步骤(2)中，完成一次单元沉积，单元沉积高度为0.5～3mm。

28、较佳的，步骤(1)和步骤(3)中，制备韧性材料层作为底层和顶层时，先完成一次单元沉积，单元沉积高度为0.5～3mm，接着然后将基底旋转90°，沉积路径不变，完成第二次单元沉积，按所述步骤往复沉积。

29、本发明相对于现有技术相比，具有显著优点：

30、(1)本发明设计了一种由x个呈阵列分布的阻隔结构单元连接构成的阻隔结构，x≥1，每一个阻隔结构单元由三层组成，两外层为韧性材料层，中间层为韧性材料/金属间化合物复合层，该结构能抑制不同直径弹丸冲击造成的绝热剪切，并且形成整体结构。

31、(2)本发明中间层设计为由呈一定角度连接的第一折部和第二折部组成的弯折部(金属间化合物)阵列分布和内部韧性材料以及外部宽度为弹丸直径的4/11-6/11的韧性材料包裹而成，以应对金属间化合物开裂和冲击外部韧性材料时仍能有效阻隔一定绝热剪切。

技术特征：

1.基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构的设计方法，其特征在于，该阻隔结构由x个呈阵列分布的阻隔结构单元连接构成，x≥1，每一个阻隔结构单元由三层组成，两外层为韧性材料层，中间层为韧性材料/金属间化合物复合层，其中，每一个阻隔结构单元具体为：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，韧性材料层中的韧性材料为钛合金或装甲钢；阻隔层采用钛铝、钛镍、钛铁合金中任意一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该阻隔结构由x个呈阵列分布的阻隔结构单元连接构成，其中，阻隔结构单元的个数x根据如下公式确定：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，韧性材料区域上设置韧性材料，韧性材料区域中设置的韧性材料与韧性材料层的材质一致。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一个阻隔层单元由两个弯折部垂直设置构成是指阻隔层单元中的第一弯折部和第二弯折部呈垂直设置，第一弯折部和第二弯折部形状相同，且其中心重合，其中，所述的弯折部由呈一定角度θ1连接的第一折部和第二折部组成。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，两个弯折部的间距为弹丸直径的5/11~7/11。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，阻隔层由n*m个呈阵列分布的阻隔层单元构成。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，韧性材料区域由外部韧性材料区域和与阻隔层连接的内部韧性材料区域构成，其中，外部韧性材料区域的宽度为弹丸直径的4/11-6/11。。

9.如权利要求1-8任一所述的方法设计的基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构。

10.如权利要求9所述的阻隔结构的制造方法，其特征在于，采用丝材增材制造技术，按所述阻隔结构规划路线，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于高绝热剪切阻隔材料复合的阻隔结构及其制造方法，包括从选择材料、空间分布和尺度三方面进行阻隔绝热剪切的结构设计，选用丝材增材制造方法，通过不同热源熔化多丝进行增材得韧性材料和复合材料，并针对金属间化合物脆性导致开裂问题而提供的相应结构优化及路径设计，利用该方法以获得高绝热剪切阻隔材料复合结构件。该结构由底层韧性材料，中层韧性材料+金属间化合物复合层以及顶层韧性材料构成。本发明提供既能制备高绝热剪切阻隔的大型复合构件，又能制备小尺寸的复合构件，具有优异的绝热剪切阻隔效果的同时密度低，无缺陷、界面结合好，防护性能优秀。

技术研发人员：周琦,吴瑶,徐俊强
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23