碳化硼(B4C)因其极高的硬度、低密度和良好的耐磨性,被广泛用于装甲材料中。然而,传统的碳化硼陶瓷材料在实际应用中存在一定的脆性问题,这限制了其在一些需要高韧性的领域的应用。
山东理工大学的研究团队在《Chemical Engineering Journal》(Volume 493, 1 August 2024, 152607)发表的题为"3D printed B4C-based honeycomb ceramic composite and its potential application in three-dimensional armor structure"的研究中,通过3D打印技术(DIW)制造具有蜂窝结构的B4C基复合材料,以提高材料的抗冲击性能和韧性。DIW墨水直写3D打印技术允许通过控制打印墨水的流动和沉积,精确地构建复杂的几何结构。研究团队开发了一种含有B4C微粉的打印墨水,成功打印出蜂窝结构复合材料,并经过干燥、脱脂和烧结等工艺处理形成最终材料。
图1,(a) B4C 油墨制备 B4C 基蜂窝陶瓷工艺示意图;(b) A1、A2 和 A3 油墨的粘度随剪切速率的变化;(c)、(d)、(e) 不同 B4C 浓度的 B4C 油墨的模量和印刷单块:66 wt% (A1)、68 wt% (A2)、70 wt% (A3)。
图2,不同BAC/PSZ比(a)和不同1µm/0.3µm(D50)碳化硼粉末比(b)的油墨的力学性能。
图3,DIW生产的碳化硼胚体采用不同的挤压孔(A2、D1和D2)和不同的打印速度(A2、E1和E2)。
图4,(a) 碳化硼基蜂窝陶瓷复合材料的制备工艺;(b) 打印后的蜂窝结构;(c) 烧结后的蜂窝陶瓷;(d) 蜂窝结构的SEM图像。
图5,不同结构参数的蜂窝陶瓷:(a) 六边形蜂窝;(b) 正方形蜂窝;(c) 三角形蜂窝;(d) 不同结构的能量吸收效率比较。
图6,(a) 抗压强度测试;(b) 抗弯强度测试;(c) 不同结构的抗压强度比较;(d) 不同结构的抗弯强度比较。
图7,(a) 防弹测试示意图;(b) 不同结构的防弹性能比较;(c) 冲击后的样品照片;(d) 能量吸收机制示意图。
图8,(a) 三维装甲结构示意图;(b) 不同层的功能说明;(c) 整体装甲结构的防弹性能模拟;(d) 与传统装甲的性能对比。
这项研究成功结合了DIW墨水直写3D打印技术和高性能陶瓷材料,展示了先进制造技术在新型防护材料开发中的巨大潜力。通过优化材料配方和结构设计,在提高材料强度和韧性的同时保留了碳化硼的轻质特点。蜂窝结构B4C基复合材料为未来防护装甲设计提供了新思路,在军事和工业领域具有广泛应用前景。
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