CN101216272A - 一种多层装甲防护系统 - Google Patents

Abstract

一种多层装甲防护系统，涉及装甲板。传统的装甲防护系统的外层为高强抗撞击板，中间层为陶瓷板，内层为金属支承板。此防护系统在受到枪弹或爆炸物冲击时，中间层陶瓷板不能有效吸收从外层抗撞击板传播而来的巨大能量，无法达到保护车辆的目的。本发明的新型防护系统是在外层高强抗撞击板和内层高延展性背板之间填充一种泡沫金属夹芯材料，并通过聚乙烯树脂将泡沫金属与外层抗撞击板和内层背板牢固粘结，形成一种“三明治”结构，且系统中至少有一组这种结构。所述的夹芯材料为高孔隙率的闭孔泡沫铝，可以有效吸收冲击产生的能量，承受高速撞击带来的变形。因此，本发明可以有效保护车辆免于枪弹或爆炸物的破坏。

Description

一种多层装甲防护系统

技术领域

本发明涉及装甲系统，特别涉及一种以泡沫金属作为装甲系统的能量吸收体，使被保护车辆在遭受枪弹或爆炸物冲击时免于破坏。

背景技术

近年来，防爆安全已成为世界各国所关注的一个研究领域。为了降低和防止枪弹或爆炸物对目标车辆的破坏，提高其防爆抗冲击能力，可以采用增加装甲防护系统单层介质厚度和改进系统结构的方案。然而，增加单层介质的厚度不仅使防护系统的质量增大，降低了车辆的机动性，而且大幅度提高了使用成本。对装甲防护系统的结构进行适当改进，在保持甚至减少系统自重的前提下，提高其防爆抗冲击能力完全可行。

传统装甲防护系统的外层为高强抗撞击板(一层金属板或陶瓷板)，中间层为陶瓷板，内层为金属背板。在此构造中，中间层陶瓷板是脆性材料，在弹片的撞击下变形、碎裂，背板阻挡穿过陶瓷板的残余弹片和碎裂的陶瓷片，外层则起保护中间层陶瓷板的作用。

弹片与陶瓷板碰撞的瞬间，在与撞击面相对应的反面轴线上形成初始裂纹，并在此处产生最大的压应力，从而导致背板在撞击中心产生最大变形及背板向后方瞬间剧烈的运动，使背板对陶瓷面板的支撑力减弱，陶瓷板反面产生的初始轴向裂纹开始沿着弹方向返回。裂纹的聚合导致弹片作用处的陶瓷开始全面断裂，弹片侵彻面板时的阻力及能量耗散迅速衰减，弹片仍以较完整的外形和较高的动能冲击背板。因此，传统装甲系统的陶瓷板不能有效抵抗弹片的冲击，无法对车辆进行有效地保护。

发明内容

本发明的目的是针对传统装甲防护板结构方面的缺点，提供一种多层装甲防护系统。通过向多层装甲板之间加入泡沫金属作为能量吸收体，增强对目标车辆内设备和人员的保护。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种多层装甲防护系统，包括：外、中、内三层防护结构，所述的外、中、内三层防护结构，是在外层高强抗撞击板和内层高延展性背板之间填充一种泡沫金属作为中层，并通过聚乙烯树脂将泡沫金属与外层高强抗撞击板和内层高延展性背板粘结，形成具有高强抗撞击的外板、能量吸收体的泡沫金属夹芯层和高延展性背板的“三明治”结构，且这种“三明治”至少有一组。

所述的泡沫金属是孔隙率为60～90％的闭孔泡沫金属，较佳的泡沫金属是孔隙率为75％的闭孔泡沫铝。所述的高强抗撞击板为陶瓷板或金属板。所述的高延展性背板为金属板、橡胶基或增韧酚醛基复合材料板，较佳的高延展性背板为增韧酚醛基复合材料板。所述的聚乙烯树脂为碳纤维增强的聚乙烯树脂。

本发明与现有技术相比，由于采用“三明治”结构，即泡沫金属填充在致密的两层板之间，形成具有两外板、粘合层和夹芯材料的结构。泡沫金属是一种具有高孔隙率的新型材料，已广泛应用于多种工程领域，如隔热、隔音和缓冲吸能等。尤其后者，充分利用了泡沫金属材料的特殊性能：相对较高的吸能效率。因此，泡沫金属可以承受弹片高速撞击带来的变形，降低冲击荷载破坏防护系统的程度，可以衰减由抗撞击板传递而来的冲击波强度，明显吸收冲击波能量，减少对车辆内人员的杀伤几率。

附图说明

图1是一种多层装甲防护系统的结构简图；

图2是高孔隙率的闭孔泡沫铝典型微观结构示意图；

图3是闭孔泡沫铝的单轴准静态压缩力学行为曲线。

下面结合附图通过较佳实施例对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

如图1所示，一种多层装甲防护系统，包括：外、中、内三层结构，所述的外、中、内三层结构至少有一组，每组的具体结构：在外层高强抗撞击板1和内层高延展性背板4之间填充一种泡沫金属3作为中层，并通过聚乙烯树脂2使泡沫金属3与外层高强抗撞击板1和内层高延展性背板4粘结，形成具有高强抗撞击的外板、能量吸收体的泡沫金属夹芯层和高延展性复合材料背板的“三明治”结构。

所述的泡沫金属3是孔隙率为60～90％的闭孔泡沫金属，较佳的泡沫金属3是孔隙率为75％的闭孔泡沫铝。所述的高强抗撞击板1为陶瓷板或金属板，较佳的高强抗撞击板1为金属板。所述的高延展性背板4为金属板、橡胶基或增韧酚醛基复合材料板，较佳的高延展性背板4为增韧酚醛基复合材料板。所述的聚乙烯树脂2为碳纤维增强的聚乙烯树脂。

适用于本发明的泡沫金属有泡沫铝、泡沫镍、泡沫铅、泡沫钛、泡沫锌、泡沫铁、泡沫合金或复合泡沫金属材料。泡沫金属的制备方法可以采用压缩空气法。压缩空气法制备泡沫金属的工艺路线如下：首先向发泡室中处于发泡温度的金属熔体底部通入压缩空气，利用机械搅拌使熔体对空气进行剪切粉碎，形成适当尺寸的泡沫；泡沫上浮至熔体表面后进行收集并通过成型模具垂直连续牵引出发泡室，冷却后成为闭孔泡沫金属型材。通过调整金属熔体成分、发泡温度、压缩空气的压力与流量等因素可以控制泡沫金属的密度。例如泡沫铝的密度可以在0.1～0.3g/cm³之间变化。

所述的孔隙率为75％的闭孔泡沫铝，为了与外层高强抗撞击板和内层高延展性背板粘结，将碳纤维增强的聚乙烯树脂熔化后加压热敷在泡沫铝两侧，使夹芯层表面更加光洁，易与高强抗撞击板和背板粘接，同时提高了夹芯层强度。

“抗撞击板”是一层高强度金属板或陶瓷板，其外层表面可以承受弹片或爆炸物地直接撞击，内层表面则与泡沫金属和聚乙烯树脂构成的夹芯层接触。显然，抗撞击板是一层强度很高的材料，在弹片接触夹芯层之前对其起保护作用。

另外，本发明的多层装甲系统还包括一层背板，该板通过高分子量聚乙烯树脂与夹芯层粘结。背板是一层高延展性板材，如金属板、橡胶基或增韧酚醛基复合材料板。

多层装甲防护系统可由所述的一组装甲防护系统通过附加构件组合而成。

如图2所示，一种高孔隙率的闭孔泡沫铝的典型微观结构，可以看出：与基体纯铝相比，泡沫铝具有非常小的相对密度。在形变过程中，泡沫铝微观结构的变化是孔胞壁变形、孔隙塌陷及孔胞壁挤压，从而可以吸收大量的能量。因此，这种材料具有非常特殊的应力应变行为和性能，尽管比强度要小于基体纯铝，但是较高的吸能效率还是使泡沫铝在防爆隔振和缓冲吸能领域有广泛的应用。

图3是图2所示泡沫铝的单轴准静态压缩力学行为曲线，横轴表示应变，纵轴表示应力。图中所示的曲线可以分为三个区域：线弹性区1，屈服平台区2(压力变化恒定)，致密区3。在线弹性区域1中，泡沫金属产生弹性变形，试件两端的泡沫先发生坍塌，而中间的泡沫结构基本保持原状，压缩变形不是很明显，此时的应力应变曲线是可逆的。随着变形继续，曲线进入屈服平台区2，塌陷由两端向中间扩展，应变曲线出现一段较长的低应力平台，表明此时泡沫材料能够保持在相对较低的应力下吸收大量的能量，直至致密区3。在致密区3，中间的泡沫受到挤压向两端膨胀，材料进入密实阶段，应力随着应变增大而迅速上升。在冲击载荷作用下，泡沫结构对泡沫金属的动态力学性能的影响是主要的，其应力应变曲线同样具有“三阶段”特性。应力应变曲线下区域的面积表示被泡沫金属吸收的能量。

通过改变泡沫金属的基本物理性能，如泡沫结构、相对密度、孔径、壁厚和均匀性，可以将吸能能力调至最大。通过向泡沫金属中加入增韧陶瓷颗粒，同样可以改进其弹性模量和屈服平台高度，增强吸收能量的能力。

泡沫金属通过吸收由高强抗撞击板传递而来的冲击波能量，可以延缓或减小对背板造成的损坏，从而保护车辆内的人员或设备。冲击波能量首先压缩泡沫金属表面，孔胞壁弹性弯曲引起泡沫金属产生弹性变形，接着孔胞的溃塌导致泡沫金属材料的塑性变形，最后孔胞壁挤压引起应力迅速增长过程。泡沫金属在形变过程中大量地吸收冲击波能量，气孔网络中的空腔则起到传递能量的作用。

本发明的多层装甲系统可以有效防护枪弹和爆炸物。而且，装甲系统采用“三明治”结构，夹芯材料为高孔隙率的闭孔高强度泡沫金属，可以承受高速撞击带来的变形，降低弹片的破坏程度，并有效吸收冲击波能量，从而减少对车辆的破坏及车辆内人员的杀伤几率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变形，倘若这些改动和变形不脱离本发明的原则和范围，即属于本发明的权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种多层装甲防护系统，包括：外、中、内三层结构，其特征在于：所述的外、中、内三层结构，是在外层高强抗撞击板1和内层高延展性背板4之间填充一种泡沫金属3作为中间层，并通过聚乙烯树脂2与泡沫金属层粘结，形成具有高强抗撞击的外板、能量吸收体的泡沫金属夹芯层和高延展性背板的“三明治”结构，且系统中至少有一组这种“三明治”结构。

2.按照权利要求1所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的泡沫金属3为孔隙率为60～90％的闭孔泡沫金属。

3.按照权利要求2所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的泡沫金属3为孔隙率为75％的闭孔泡沫铝。

4.按照权利要求1所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的高强抗撞击板1为陶瓷板或金属板。

5.按照权利要求4所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的高强抗撞击板1为金属板。

6.按照权利要求1所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的高延展性背板4为金属板或者是橡胶基或增韧酚醛基复合材料。

7.按照权利要求6所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的高延展性背板4为增韧酚醛基复合材料。

8.按照权利要求1所述的装甲防护系统，其特征在于：所述的聚乙烯树脂2为碳纤维增强的聚乙烯树脂。

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