本发明涉及防护材料技术领域，更具体的涉及 一种采用铸造浸渗方法制备的金属基 陶瓷颗粒复合材料， 该材料可用于保险箱柜、 自动取款机、 金库大门等重要安全防护领 域使用。 背景技术

随着国家经济的发展、人民生活水平的提高和 社会公共安全的需要， 公司、银行等 促使保险柜行业得到了迅速发展。 近年来保险柜行业保持着强劲的发展势头， 中国已经 成为了世界保险柜行业的制造中心。 随着市场需求的多元化、 国际化应用需求， 促使保 险柜行业竞争越来越激烈， 同时自动取款机、 金库大门等领域的防护需求也极为迫切， 急需抗爆轰、 抗冲击、 抗压、 隔热、 防水、 防火焰切割、 防辐射等高性能的多功能防护 材料。 采用新一代综合性能优良的防护材料替代常规 钢材， 将大幅度提高保险柜、 自动 取款机、 金库大门等行业的国际竞争力。

陶瓷以其优异的防护性能、较轻的质量和相对 便宜的价格成为新型防护材料，与其 它材料相比表现出更加优良的综合性能。 但由于陶瓷材料脆性差， 当受到爆轰波冲击以 及弹丸撞击后容易在撞击区出现破碎、 垮塌、 裂纹扩展等一系列破坏。 同时陶瓷不具有 悍接性能，只能采用粘接方式进行连接，因此 在某种程度上限制了陶瓷材料的推广应用。 本专利采用金属作为基体将陶瓷颗粒包覆其中 ， 实现了陶瓷的紧密约束， 提高了陶瓷的 综合防护性能。

目前本专利申请中的金属基陶瓷复合材料在国 内外未见报道，与金属基陶瓷复合材 料相关的防护材料在国内外有所介绍。国内南 京航空航天大学釆用粉末冶金的方法制备 刚玉球 /铝合金复合材料，此外国内外均有采用非金� �材料粘结、机械连接以及封装等方 法制备陶瓷球复合材料的相关报道， 专利号为 US 3431818所公开的材料为球状陶瓷或 板状陶瓷通过有机物粘接组成层状结构的防护 材料， 专利号为 US 7694621 B1所公开的 材料为球状陶瓷或块状陶瓷或柱状陶瓷通过铆 接或螺栓等机械连接方式组成层状结构 的防护材料， 专利号为 US 5361678所公开的材料为表面通过粘接剂和微米� �的陶瓷颗 粒形成过渡包覆层的直径约为 25.4mm的一层大尺寸球状陶瓷在带有孔洞的石墨 模具和 盖板封装后采用模压技术制成的防护材料。采 用粉末冶金等方法制备金属基陶瓷复合材 料工艺较为复杂， 金属强度低， 生产成本较高， 不利于进行规模化推广应用； 而采用粘 结、 机械连接以及封装等方法制备金属基陶瓷复合 材料， 在此类结构中金属对陶瓷的约 束不够， 从而导致材料整体性能较低。 所以需要进一歩改进和设计。 发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种 便于制造、工艺结构合理的金属基陶 瓷复合材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种 便于制造、工艺合理的金属基陶瓷复 合材料的制造方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种 上述金属基陶瓷复合材料的应用。 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术 方案为： 一种金属基陶瓷复合材料， 其特征在于：基体金属通过挤压铸造方法使部 分基体金属渗透到陶瓷颗粒之间从而形成 整体金属基陶瓷复合材料。

优选， 所述的基体金属为钢铁、 铝合金、 钛合金、 锌合金、 铜合金或镁合金。 作为优选， 所述的陶瓷颗粒为 A1203陶瓷颗粒、 Zr02陶瓷颗粒、 B4C陶瓷颗粒、 SiC陶瓷颗粒、 Si3N4陶瓷颗粒、 TiB2陶瓷颗粒或 A1203+Zr02陶瓷颗粒的一种或者一 种以上， 陶瓷颗粒转换成等体积的球形颗粒直径在 lmm-15mm之间。

作为优选， 所述的陶瓷颗粒采用球体或椭球体。最优选是 采用球体， 球形度至少在 0.7以上。

作为优选， 所述的陶瓷颗粒为多层排列结构， 其体积百分数可在 10%~80%的范围 内进行调整。

作为改进，所述的陶瓷颗粒之间为同种陶瓷颗 粒或异种陶瓷颗粒，并且可采用不同 颗粒直径规格的陶瓷颗粒进行随机分布或梯度 分布或者某一分布函数进行分布。

作为改进，可根据使用要求采用金属或非金属 丝网对所述陶瓷颗粒进行有序分层排 列。

作为改进，所述丝网的孔径小于陶瓷颗粒转换 成等体积的球形颗粒直径，各层丝网 间距可根据金属基陶瓷复合材料的整体厚度以 及实际情况需要进行调整。

所述的基体金属表层厚度及陶瓷颗粒混合层厚 度可根据金属基陶瓷复合材料的整 体厚度以及实际情况需要进行调整。

最后，所述金属基陶瓷复合材料整体厚度可根 据具体使用需要确定，一般优选要大 于所使用陶瓷颗粒直径尺寸的三倍以上。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术 方案为：一种上述的金属基陶瓷复合 材料的制造方法， 其特征在于： 根据选用的基体金属和陶瓷种类的不同， 陶瓷颗粒加热 温度可在 400°C〜140(TC之间进行调整， 将陶瓷颗粒加热并保温后将陶瓷颗粒放入挤压 铸造模具型腔中，根据使用要求决定是否在陶 瓷颗粒中间铺设金属或非金属丝网及铺设 层数并将其压实， 将熔化处理好基体金属浇入模具型腔中加压并 保压， 根据基体金属材 料、 陶瓷种类以及产品结构和规格来决定， 加压压力可在 50MPa〜200MPa之间进行调 整， 保压时间可在 30s〜5min之间进行调整， 加压、 保压后， 将铸件从模具中取出， 即 制得该金属基陶瓷复合材料。

优选，所述的陶瓷颗粒加热温度根据陶瓷和基 体金属的种类确定，一般选择基体金 属的熔点温度 -300°〇~熔点温度 +200°C范围内。 尽量接近基体金属的熔点温度， 便于挤 压铸造成型。

本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术 方案为：一种上述的金属基陶瓷复合 材料的应用， 其特征在于作为保险箱柜、 自动取款机或者金库大门的防护材料。

与现有技术相比， 本发明的优点在于： 采用挤压铸造方法一次成型制备出直径在 l-15mm之间、 多层排列、 陶瓷颗粒体积百分数为 10%-80%的金属基陶瓷复合材料， 从 而达到简化工艺和降低成本的目的。该复合材 料的陶瓷颗粒在基体金属中的排列方式类 似于金属材料中空间点阵的排列规则， 因此可使用 "点阵材料"来定义该新型金属基陶 瓷复合材料。 金属液在压力作用下渗透到陶瓷颗粒之间， 冷却凝固后能够对陶瓷颗粒实 现真正意义上的三维约束， 另外陶瓷颗粒层为多层排列结构， 两方面因素的综合作用能 提高金属基陶瓷复合材料的防火焰切割、 防机械切割、 抗弹、 抗爆炸冲击等性能。 由于 陶瓷颗粒在基体金属中分布均匀， 能有效阻止裂纹在基体金属中的扩展， 进而提高该金 属基陶瓷复合材料抵御冲击载荷作用的能力。 同时由于陶瓷是很好的隔热材料， 金属又 具有良好的导热性能， 因此由这两种材料组合制备出的金属基陶瓷复 合材料能够有效降 低在火焰切割过程中材料温度的急剧升高。 如将该金属基陶瓷复合材料在保险柜、 自动 取款机、 金库大门等产品上作为防护材料使用， 在抗弹性能方面， 抗穿燃弹的防护系数 可达到 1.8以上， 在防火焰切割方面， 大于 20mm厚的金属基陶瓷复合材料可确保抗氧 乙炔切割 30min以上不穿透， 因此该材料在保险箱柜、 自动取款机、 金库大门等重要安 全设施防护领域具有广阔的应用前景。 附图说明

图 1为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料等径随� �排列结构示意图， 其中， a， d— 金属表层， b-—陶瓷球， _c 一基体金属。

图 2为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径� �机排列结构示意图，其中， _a ，d— 金属表层， b—陶瓷球， c一基体金属。

图 3为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径� �度排列结构示意图，其中， a，d— 金属表层， 1一陶瓷球， c一基体金属。

图 4为设置丝网的金属基陶瓷复合材料等径随机� �列结构示意图， 其中， a， d—金 属表层， 1>~陶瓷球， c一基体金属， e—丝网。 图 5为设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径梯� �排列结构示意图， 其中， a， d— 金属表层， 1>一陶瓷球， c一基体金属， e—丝网。

图 6 为未设置丝网且尺寸均匀的椭球形陶瓷有序排 列的金属基陶瓷复合材料水平 截面示意图， 其中， bl—椭球形陶瓷， c一基体金属。 具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一歩详细描 述。

实施例 1 :

本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球等径排列 为例进行说明。

取 4200ml直径为 3mm的 A1203陶瓷球， 在热处理炉中加热到 800°C后保温 2小 时， 将预热好的 A1203陶瓷球倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中， 量取 5.4kg 铝合金液浇入模具型腔中， 加压 100MPa， 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度 为 29mm的陶瓷球体积百分数为 62%的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火 焰切割 时间可达 lh以上。 实施例 2 _:

本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球不等径随 机排列为例进行说明。

按比例量取总量为 5800ml的几种不同直径规格的 A1203+Zr02陶瓷球进行混合， 例如选用直径分别为 3mm和 6mm两种规格的 A1203+Zr02陶瓷球并按体积比 1 :1的比 例进行混合， 混合均匀后在热处理炉中加热到 800°C后保温 2 小时， 将预热好的 A1203+Zr02陶瓷球倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中，量取 7.1kg铝合金液浇 入模具型腔， 加压 120MPa， 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 40mm的陶 瓷球体积百分数为 64%的铝基陶瓷复合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 2h 以上。

A1203+Zr02陶瓷球即在制备陶瓷球时为了增加韧� �在 A1203中添加 5%〜25%的 Zr02， 本专利申请选用的 A1203+Zr02陶瓷球中 Zr02的添加量为 15%, 质量百分百。 实施例 3:

本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球不等径梯 度排列为例进行说明。

按比例量取总量为 9000ml的几种不同直径规格的 S13N4陶瓷球， 例如选用直径分 别为 3mm、 6mm和 9mm三种规格的 Si3N4陶瓷球并按体积比 3:2:1的比例量取， 将这 几种不同规格的 Si3N4陶瓷球分别在热处理炉中加热到 80CTC后保温 2小时， 将预热好 的几种 Si3N4陶瓷球依次倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中， 并使这几种陶瓷 球在模具型腔中呈梯度排列。 量取 13kg铝合金液浇入模具型腔， 加压 140MPa， 保压 2min, 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 60mm的陶瓷球体积分数为 56%的铝基陶瓷复 合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 4h以上。 实施例 4:

本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球等径 排列为例进行说明。

取 4200ml直径为 3mm的 A1203陶瓷球、 B4C陶瓷球、 ΉΒ2陶瓷球， 三者体积比 为 1 : 1： 1， 混合均匀， 在热处理炉中加热到 800°C后保温 2小时， 将预热好的 A1203 陶瓷球、 B4C陶瓷球、 TiB2陶瓷球倒入尺寸为 420mmX 420mm的挤压铸造模具型腔中， 量取 5.4kg铝合金液浇入模具型腔中， 加压 100MPa， 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 29mm的陶瓷球体积百分数为 62%的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙 块火焰切割时间可达 1.5h以上。

实施例 5:

本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球不等 径随机排列为例进行说明。

按比例量取总量为 5800ml的几种不同直径规格的陶瓷球进行混合， 例如选用直径 分别为 3mm和 6mm两种规格的 A1203陶瓷球和 SiC陶瓷球并按体积比 1 :1的比例进行 混合，混合均勾后在热处理炉中加热到 80CTC后保温 2小时，将预热好的 A1203陶瓷球、 SiC陶瓷球倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中，量取 7.1kg铝合金液浇入模具型 腔， 加压 120MPa， 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 40mm的陶瓷球体积 百分数为 64%的铝基陶瓷复合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 3h以上。 实施例 6- 本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球不等 径梯度排列为例进行说明。

按比例量取总量为 9000ml 的几种不同直径规格的陶瓷球， 例如选用直径分别为 3mm的 A1203陶瓷球、 6mm的 SiC陶瓷球和 9mm的 TiB2陶瓷球， 三种规格的陶瓷球 并按体积比 3:2:1的比例量取， 将这几种不同规格的 A1203陶瓷球、 SiC陶瓷球、 ΉΒ2 陶瓷球分别在热处理炉中加热到 80CTC后保温 2小时， 将预热好的几种种类、 规格陶瓷 球依次倒入尺寸为 420mm X420mm的模具型腔中， 并使这几种陶瓷球在模具型腔中呈 梯度排列。 量取 13kg铝合金液浇入模具型腔， 加压 140MPa， 保压 2min， 打开模具取 出铸件， 得到总厚度为 60mm的陶瓷球体积分数为 56%的铝基陶瓷复合材料， 该材料的 耐氧乙炔火焰切割时间可达 6h以上。 实施例 7:

本实施例以设置丝网且同种陶瓷球等径排列为 例进行说明。

取 4200ml直径为 3mm的 Zr02陶瓷球，在热处理炉中加热到 1000°C后保温 2小时， 将预热好的 Zr02陶瓷球倒入尺寸为 420mmX420mm的模具型腔中，同时根据设计要求 在陶瓷球之间铺设网孔为 2mmX 2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理， 丝网层间距离可 根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、 规格和分布进行调整。 量取 15kg钢液浇入模具 型腔中， 加压 160MPa, 保压 3min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 29mm的陶瓷球 体积百分数为 62%的钢基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火 焰切割时间可达 2h以上。 实施例 8:

本实施例以设置丝网且同种陶瓷球不等径梯度 排列为例进行说明。

按比例量取总量为 9000ml的几种不同直径规格的 TiB2陶瓷球， 例如选用直径分 别为 3mm、 6mm和 9mm三种规格的 ΉΒ2陶瓷球并按体积比 3:2:1的比例量取，将这几 种不同规格的 TiB2陶瓷球分别在热处理炉中加热到 90(TC后保温 2小时，将预热好的几 种规格陶瓷球依次倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中， 并使这几种陶瓷球在模 具型腔中呈梯度排列。 同时根据设计要求在陶瓷球之间铺设网孔为 2mmX 2mm的丝网 对陶瓷球进行分层处理， 丝网层间距离可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球 的种类、 规格和 分布进行调整。 量取 41kg铜合金液浇入模具型腔， 加压 140MPa， 保压 3min， 打开模 具取出铸件， 得到总厚度为 60mm的陶瓷球体积分数为 56%的铜基陶瓷复合材料， 该材 料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 4.5h以上。 实施例 9- 本实施例以设置丝网且不同种类陶瓷球等径排 列为例进行说明。

取 3500ml直径为 3mm的 A1203陶瓷球、 B4C陶瓷球、 ΉΒ2 陶瓷球， 三者体积比 1： 1： 1 , 在热处理炉中加热到 800 °C后保温 2小时， 将预热好的 A1203陶瓷球、 B4C 陶瓷球、 ΉΒ2 陶瓷球分批倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中， 同时根据设计要 求在陶瓷球之间铺设网孔为 2mm X 2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理， 丝网层间距离 可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、 规格和分布进行调整。 量取 7kg铝合金液浇入 模具型腔， 加压 l lOMPa, 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 32mm的陶瓷 球体积分数为 56%的铝基陶瓷球复合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 2h以 上。 实施例 10:

本实施例以设置丝网且不同种类陶瓷球不等径 梯度排列为例进行说明。

取 3500ml直径为 3mm的 A1203陶瓷球、 B4C陶瓷球、 TiB2 陶瓷球， 三者体积比 1： 1： 1， 在热处理炉中加热到 700°C后保温 2小时， 将预热好的 A1203陶瓷球、 B4C 陶瓷球、 ΉΒ2 陶瓷球分批倒入尺寸为 420mmX 420mm的模具型腔中， 同时根据设计要 求在陶瓷球之间铺设网孔为 2mmX 2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理， 丝网层间距离 可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、 规格和分布进行调整。 量取 4.5kg镁合金液浇 入模具型腔， 加压 100MPa， 保压 lmin， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 32mm的陶 瓷球体积分数为 56%的镁基陶瓷球复合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 lh 以上。 实施例 11 :

本实施例以未设置丝网且尺寸均匀的椭球形陶 瓷有序排列为例进行说明。

取 4200ml长轴为 5mm、 短轴为 3mm的 A1203椭球形陶瓷， 在热处理炉中加热到 800 °C后保温 2小时， 将预热好的 A1203陶瓷颗粒倒入尺寸为 420mm X 420mm的模具 型腔中， 并尽量使椭球形陶瓷的长、 短轴朝向一致， 量取 6.5kg铝合金液浇入模具型腔 中， 加压 100MPa， 保压 2min， 打开模具取出铸件， 得到总厚度为 30mm的陶瓷颗粒体 积百分数为 56%的铝基陶瓷复合材料， 该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达 lh以上。 实施例 12:

本实施例以金属基陶瓷复合材料在保险箱柜上 的应用为例进行说明。

根据不同类型的保险箱柜产品的安全性要求选 择不同形状和大小的陶瓷颗粒和体 积百分数的金属基陶瓷复合材料， 作为保险箱柜门板和箱柜体的防护材料。 组成箱柜体 的金属基陶瓷复合材料可通过焊接或机械连接 的方法实现安装。 通常是， 陶瓷颗粒直径 在 l-15mm之间、 多层排列、 陶瓷颗粒体积百分数为 10%-80%的金属基陶瓷复合材料， 整体材料的厚度在 2mm以上。

保险箱柜是指体积较大的保险柜或者体积较小 的保险箱。 实施例 13 :

本实施例以金属基陶瓷复合材料在自动取款机 上的应用为例进行说明。

根据不同类型的自动取款机产品的安全性要求 选择不同形状和大小的陶瓷颗粒和 体积百分数的金属基陶瓷复合材料， 作为自动取款机门板和机体的防护材料。 组成机体 的金属基陶瓷复合材料可通过焊接或机械连接 的方法实现安装。 通常是， 陶瓷颗粒直径 在 l-15mm之间、 多层排列、 陶瓷颗粒体积百分数为 10%-80%的金属基陶瓷复合材料， 整体材料的厚度在 2mm以上。 实施例 14:

本实施例以金属基陶瓷复合材料在金库大门上 的应用为例进行说明。

根据不同类型的金库大门产品的安全性要求选 择不同形状和大小的陶瓷颗粒和体 积百分数的金属基陶瓷复合材料， 作为金库大门的防护材料。 构成金库大门的金属基陶 瓷复合材料可通过焊接或机械连接的方法实现 安装。 通常是， 陶瓷颗粒直径在 l-15mm 之间、 多层排列、 陶瓷颗粒体积百分数为 10%-80%的金属基陶瓷复合材料， 整体材料的 厚度在 2mm以上。 通过实施例子可知，本专利申请采用挤压铸造 技术一次成型制备出陶瓷颗粒多层排 列的金属基陶瓷复合材料， 金属通过挤压铸造技术渗透到陶瓷颗粒之间， 陶瓷颗粒的体 积百分数可根据使用需求在 10%-80%的范围内进行调整。 该方法设备简单、 工艺成熟， 生产成本低， 极易于进行批量化生产， 同时在此种结构中基体金属对陶瓷颗粒实现真 正 意义上的三维约束， 材料整体性能高， 实践实验表明， 抗穿燃弹的防护系数可达到 1.8 以上，此外该材料还具有密度低和抵御常规机 械切割和火焰切割以及抑制冲击裂纹扩展 等特性， 大于 20mm厚的金属基陶瓷复合材料可确保抗氧乙炔� �割 30min以上不穿透。 可作为制造满足国家标准和美国标准的 A-C类保险柜以及满足欧洲标准 0-10级保险柜、 L-8级 ATM保险柜和 0-13级保险库的防护材料， 因此该材料在保险箱柜、 自动取款机、 金库大门等重要安全设施防护领域具有广阔的 应用前景。

本实施例子仅仅就陶瓷颗粒采用球体或椭球体 进行了说明，但是，其他形状陶瓷颗 粒如 8面以上的多面体颗粒完全可以使用， 原理和效果是类似的。