CN101448635A - 陶瓷复面的防弹板结构 - Google Patents

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Abstract

一种由陶瓷层和多个纤维衬里层形成的防弹板。第一纤维衬里层毗邻陶瓷层，第二纤维衬里层毗邻第一纤维衬里层。每个纤维衬里层都由高韧度纤维的网络形成，但每个衬里层的纤维具有不同的组成。优选的是，第一纤维层的刚性比第二纤维层大。与只具有单纤维层(该单纤维层具有的高韧度纤维的类型与第一和第二纤维衬里层中相同)的类似陶瓷板结构相比，对于基本相同的面密度，该板具有基本上等同或更高的防弹性。

Description

陶瓷复面的防弹板结构
技术领域
本发明涉及包括陶瓷面层(ceramic facing layer)的防弹护甲(ballistic armor)。
背景技术
已经设计有各种类型的防弹护甲结构，并且已在不同的应用领域中得到利用。这些包括用于陆地运输工具、飞机、防弹衣、固定物体等的护甲。在一类已知的例如用于陆地运输工具和飞机的防弹护甲结构中，陶瓷片粘附于高韧度纤维层。在所述结构中陶瓷片设计为面向外，用作提供防弹道射弹的起始保护的初级层。这种结构被称为陶瓷复面的板(ceramic faced panels)。这些板一般能有效地吸收和耗散来自射弹以及射弹碎片的动能。
适用于这种应用的高韧度纤维包括高分子量聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维等。然而，高韧度纤维一般制造程序复杂，因此难以制造。由此制造能力受到限制，在特殊需要的时候通常可能无法快速增加。例如，当军事应用的需求增加时，可能会与商业应用的需求产生冲突，这种军事需求可能无法满足。
因此，当一种类型的高韧度纤维短缺时，仅仅用另一种类型的高韧度纤维代替这一种类型的高韧度纤维可能不符合特定最终用途的性能要求。这种替代也可能没有进行特定应用的资格预审。
此外，重量因素通常不允许使用更厚的陶瓷片代替高韧度纤维层。
希望能提供一种陶瓷复面的防弹板，其满足所需的防弹要求，但其结构更加适于满足不断变化的用户需求。
发明内容
根据本发明，提供一种防弹板，该板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，第一纤维层的朝外表面毗邻陶瓷层的朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并且具有朝外表面和朝内表面，第二纤维层的朝外表面毗邻第一纤维层的朝内表面；
所述第一类型高韧度纤维的组成不同于所述第二类型高韧度纤维的组成；
所述第一纤维层刚性大于(stiffer than)第二纤维层。
优选的是，与只具有单纤维层(该单纤维层包含与第一或第二类型高韧度纤维相同类型的高韧度纤维)的类似陶瓷板结构的防弹性相比，所述板具有基本上相等或更高的防弹性，所述单纤维层的面密度与所述第一纤维层和第二纤维层的组合面密度基本相同。
此外根据本发明，提供一种防弹板，该板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第一类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，第一纤维层的朝外表面毗邻陶瓷层的朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第二类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，第二纤维层的朝外表面毗邻第一纤维层的朝内表面；
所述第一类型高韧度纤维的组成不同于第二类型高韧度纤维；
第一纤维层的弯曲模量比第二纤维层的弯曲模量大至少约5％。
进一步根据本发明，提供一种防弹板，该板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层，该陶瓷层包含碳化硅；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第一类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，所述第一纤维层的朝外表面毗邻所述陶瓷层的朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第二类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，第二纤维层的朝外表面毗邻第一纤维层的朝内表面；
所述第一和第二纤维层的每一个都为具有树脂基体的非织造单向取向纤维网的形式，
第一类型高韧度纤维的组成不同于第二类型高韧度纤维；
第一纤维层的弯曲模量比第二纤维层的弯曲模量大至少约15％，
由此与只具有单纤维层(该单纤维层包含与第一或第二类型高韧度纤维相同类型的高韧度纤维)的类似陶瓷板结构的防弹性相比，所述板具有基本上相等或更高的防弹性，所述单纤维层的面密度与所述第一纤维层和第二纤维层的组合面密度基本相同。
本发明提供具有多层不同纤维的防弹板，所述多层不同纤维对陶瓷片提供背面保护。还已经发现，为了提供对射弹威胁的改进抵抗，毗邻陶瓷层的纤维层应该比里面的纤维层刚性更大。已经意外地发现，与仅由芳族聚酰胺纤维形成但具有相同面密度的衬里层相比，通过使用例如芳族聚酰胺纤维层作为第一纤维层和高分子量聚乙烯纤维层作为第二纤维层，实现了增强的防弹保护。
提供多个使用不同纤维类型的纤维衬里层，由于所述几个纤维层可以取代单纤维层并且获得至少相同程度的保护，因此在满足用户防御各种射弹威胁的要求方面具有很大的灵活性。通过这种方式，不会由于单一类型纤维材料的供应受限而中断防弹板的提供。这也使得生产的灵活性更大，并且有助于降低成本。
具体实施方式
如上所述，本发明的防弹板由陶瓷材料和高韧度纤维的多个纤维层形成。陶瓷材料的形式可以为整体结构，或者可以为以某种方式连在一起(例如，粘附在支撑层或纤维层上)的单个的较小陶瓷瓦的形式。虽然单个陶瓷层是优选的，但基于最终用途和重量方面的考虑，在本发明的结构中可以使用多个陶瓷层。适用于防弹应用的这种陶瓷层是本领域中已知的。
适用于本发明中的板的典型陶瓷材料包括金属和非金属氮化物、硼化物、碳化物、氧化物等，以及它们的混合物。具体的材料包括碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼、二硼化钛、氧化铝、氧化镁等，以及它们的混合物。优选的陶瓷材料是碳化硅。
所述陶瓷层可以是非增强的，或者可以是增强的，例如用纤维材料增强的，并且可以由许多来源获得。例如，陶瓷层可以以玻璃纤维、石墨纤维等连接或包裹。陶瓷层可以具有任意所需的厚度，当然选择陶瓷层的厚度要考虑重量因素。这种层的厚度例如可以为约0.7至约1英寸(1.78至25.4mm)，优选为约0.1至约0.5英寸(2.54至1.27mm)，更优选为约0.1至约0.4英寸(2.54至10.16mm)。厚度约0.145英寸(3.68mm)的碳化硅陶瓷层的面密度通常可以为约2.50psf(12.2ksm)。
本发明的各层通常是矩形或方形构造的，但也可以采用其它的形状，例如弯曲的层。所述陶瓷层具有外表面和内表面。
毗邻陶瓷层内表面的是第一纤维层，该层优选通过合适的粘结手段粘附于陶瓷层上。第一纤维层也具有内表面和外表面，第一纤维层的外表面毗邻陶瓷层的内表面。毗邻第一纤维层的是第二纤维层。这一层也具有内表面和外表面，第二纤维层的外表面毗邻第一纤维层的内表面。优选的是，第一和第二纤维层彼此粘附。
第一和第二纤维层均包含高韧度纤维。本文中的术语“高韧度纤维”是指韧度等于或大于约7g/d的纤维。优选的是，按ASTM D2256测量，这些纤维具有至少约150g/d的初始拉伸模量和至少约8J/g的断裂能。本文中的术语“初始拉伸模量”、“拉伸模量”和“模量”是指按用于纱线的ASTM 2256和按用于弹性体或基体材料的ASTMD638测量的弹性模量。
优选的是，高韧度纤维具有的韧度等于或大于约10g/d，更优选等于或大于约16g/d，甚至更优选等于或大于约22g/d，最优选等于或大于约28g/d。
对于本发明的目的而言，纤维是一种长度尺寸远大于宽度和厚度横向尺寸的细长体。因此，术语纤维包括单丝、复丝、带、条、短纤以及其它形式的截断、切断或不连续的纤维等，具有规则或不规则的截面。术语“纤维”包括多个任何前述的对象或其组合。纱线是包含许多纤维或长丝的连续线束。
本文中适用的纤维之截面可以广泛变化。它们的截面可以是圆形的、扁平的或椭圆形的。它们也可以具有不规则或规则的多叶形的截面，一个或多个规则或不规则的叶从纤维的线轴或纵轴突出出来。优选纤维的截面基本上是圆形的、扁平的或椭圆形的，最优选基本上是圆形的。
所述第一和第二纤维层的每个都包括纤维网络。所述纤维的形式可以是机织、针织或非织造的织物。优选的是，织物中至少50重量％的纤维是高韧度纤维，更优选织物中至少约75重量％的纤维是高韧度纤维，最优选织物中基本上所有的纤维都是高韧度纤维。
本文中使用的纱线和织物可以包含一种或多种不同的高强度纤维。所述纱线可以是基本上平行排列的，或者所述纱线可以是加捻的、缠绕的(over-wrapped)或缠结的。本文中使用的织物可以是用在经向和纬向或在其它方向具有不同纤维的纱线织造的。
适用于本发明的纱线和织物中的高韧度纤维包括：高取向的高分子量聚烯烃纤维，特别是高模量聚乙烯纤维，芳族聚酰胺纤维，诸如聚苯并噁唑(PBO)和聚苯并噻唑(PBT)的聚苯并唑纤维(polybenzazolefiber)，聚乙烯醇纤维，聚丙烯腈纤维，液晶共聚酯纤维，玻璃纤维，碳纤维或玄武岩纤维或其它矿物纤维，以及刚性棒聚合物纤维，和它们的混合物和共混物。适用于本发明的优选高强度纤维包括聚烯烃纤维和芳族聚酰胺纤维。最优选的是高分子量聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维。
美国专利No.4,457,985中一般性地讨论了这种高分子量聚乙烯和聚丙烯纤维，特此将该专利的公开内容按不与本文冲突的程度结合进来以供参考。对于聚乙烯，合适的纤维是重均分子量至少为约150,000，优选为至少约一百万，更优选为约两百万至约五百万的那些。这种高分子量聚乙烯纤维可以在溶液中纺成(参见美国专利No.4,137,394和美国专利No.4,356,138)，或者是从溶液中纺成的长丝以形成凝胶结构(参见美国专利4,413,110、German Off No.3,004,699和英国专利No.2051667)，或者可以由轧制和牵伸工艺(rolling and drawing process)生产聚乙烯纤维(参见美国专利No.5,702,657)。本文中使用的术语聚乙烯表示主要是线性的聚乙烯材料，其可含有每100个主链碳原子不超过5个改性单元的少量链支化或共聚单体，和其还可含有与其混合的不超过约50wt％的一种或多种聚合物添加剂，例如链烯烃-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，包含单烯烃作为主要单体的共聚物，氧化的聚烯烃，接枝聚烯烃共聚物和聚甲醛，或低分子量添加剂，例如通常被加入的抗氧化剂、润滑剂、紫外线屏蔽剂、着色剂等。
高韧度聚乙烯纤维(也称为高分子量或伸直链(extended chain)聚乙烯纤维)优选作为用于本发明纤维层的纤维之一。这种纤维由HoneywellInternational Inc，Morristown，New Jersey，USA以商标SPECTRA
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销售。
可以对这些纤维赋予多种性能，这取决于形成技术、拉伸比和温度以及其它的条件。纤维的韧度为至少约7g/d，优选为至少约15g/d，更优选为至少约20g/d，还更优选为至少约25g/d，最优选为至少约30g/d。类似地，由Instron拉伸试验机测定，纤维的初始拉伸模量优选为至少约300g/d，更优选为至少约500g/d，还更优选为至少约1,000g/d，最优选为至少约1,200g/d。这些初始拉伸模量和韧度的最高值一般只能通过采用溶液生长或凝胶纺丝工艺才能获得。许多长丝的熔点高于形成它们的聚合物的熔点。因此，举例来说，分子量为约150,000、约一百万和约两百万的高分子量聚乙烯的本体熔点一般为138℃。由这些材料制成的高取向聚乙烯长丝具有高出约7℃至约13℃的熔点。因此，熔点略有增加反映了与本体聚合物相比长丝的结晶完整性和更高的结晶取向。
类似地，可以使用重均分子量至少为约200,000、优选至少约一百万、更优选至少约两百万的高取向高分子量聚丙烯纤维。通过上文提到的各种参考文献中给出的技术，尤其是通过美国专利No.4,413,110的技术，可以将这种伸直链聚丙烯形成为相当良好取向的长丝。由于聚丙烯是一种比聚乙烯的结晶性低得多的材料，并且含有侧甲基，因此聚丙烯可以获得的韧度值一般大大低于聚乙烯的相应值。因此，合适的韧度优选为至少约8g/d，更优选为至少约11g/d。聚丙烯的初始拉伸模量优选为至少约160g/d，更优选为至少约200g/d。取向过程通常使聚丙烯的熔点提高若干度，这样聚丙烯长丝的主熔点(main meltingpoint)优选为至少168℃、更优选为至少170℃。上述参数的特别优选的范围可以有利地提供改进的最终制品性能。使用重均分子量至少约200,000的纤维并结合上述参数(模量和韧度)的优选范围，可以有利地提供改进的最终制品性能。
对于芳族聚酰胺纤维，由芳香族聚酰胺形成的合适纤维描述在美国专利No.3,671,542中，其以不与本文冲突的程度结合进来作为参考。优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约20g/d的韧度、至少约400g/d的初始拉伸模量和至少约8J/g的断裂能，特别优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约20g/d的韧度和至少约20J/g的断裂能。最优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约23g/d的韧度、至少约500g/d的模量和至少约30J/g的断裂能。例如，具有适度的高模量和韧度值的聚(对苯二甲酰对苯二胺)长丝特别适用于形成防弹复合材料。例子有购自Teijin的1000旦Twaron
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 T2000。其它的例子有：初始拉伸模量和韧度值分别为500g/d和22g/d的Kevlar
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 29，以及Kevlar
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 129和KM2，可以以400、640和840旦购自杜邦(du Pont)。本发明中也可以使用其它制造商的芳族聚酰胺纤维。也可以使用聚(对苯二甲酰对苯二胺)的共聚物，例如共-聚(对苯二甲酰对苯二胺对苯二甲酰3，4’氧基二亚苯基二胺)。适用于本发明实践的还有杜邦公司以商品名称Nomex
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销售的聚(间苯二甲酰间苯二胺)纤维。
具有高拉伸模量的高分子量聚乙烯醇(PV-OH)纤维描述在授予Kwon等人的美国专利No.4,440,711中，特此将该专利的公开内容按不与本文冲突的程度结合进来以供参考。高分子量PV-OH纤维应该具有至少约200,000的重均分子量。特别适用的PV-OH纤维应该具有至少约300g/d的模量，韧度优选为至少约10g/d，更优选为至少约14g/d，最优选为至少约17g/d，断裂能至少约8J/g。具有这种性质的PV-OH纤维可以例如通过美国专利No.4,599,267中披露的方法进行制备。
对于聚丙烯腈(PAN)，PAN纤维应该具有至少约400,000的重均分子量。特别适用的PAN纤维应该具有优选为至少约10g/d的韧度和至少约8J/g的断裂能。具有至少约400,000的分子量、至少约15至20g/d的韧度和至少约8J/g的断裂能的PAN纤维是最适用的；这种纤维披露在例如美国专利No.4,535,027中。
用于本发明实践的合适液晶共聚酯纤维披露在例如美国专利No.3,975,487；4,118,372和4,161,470中。
用于本发明实践的合适聚苯并唑纤维披露在例如美国专利No.5,286,833、5,296,185、5,356,584、5,534,205和6,040,050中。优选的是，聚苯并唑纤维是购自Toyobo Co的Zylon
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牌的聚苯并噁唑纤维。
刚性棒纤维披露在例如美国专利No.5,674,969、5,939,553、5,945,537和6,040,478中。这种纤维可按名称M5
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纤维购自MagellanSystems International。
本发明的板中还可以使用由高韧度纤维形成的附加衬里纤维层，例如第三纤维层、第四纤维层等。这些层可设在第二纤维层的朝内方向，或者设在第一和第二纤维层之间，或者在第一和第二纤维层之间以及第二纤维层的朝内方向均进行设置。
如上所述，纤维层的形式可以是机织(woven)、针织(knitted)或非织造(non-woven)的织物。如果织物为机织织物，则它可以具有任意想要的组织，例如稀松组织模式(open weave pattern)。
优选的是，纤维层为非织造织物的形式，例如单向取向纤维的片层(ply)或以无规取向毡结的纤维，如本领域中已知的那样，它们被包埋在合适的树脂基体中。由单向取向纤维形成的织物通常具有一层沿共同的纤维方向彼此平行地排列的纤维，和第二层单向取向的纤维，所述第二层的纤维沿与第一纤维的方向成90°的共同纤维方向彼此平行地排列。当单个所述片层为单向取向的纤维时，相继的片层优选按例如0°/90°、0°/90°/0°/90°或0°/45°/90°/45°/0°的角度或其它角度的方式彼此旋转。这种旋转的单向排列描述在例如美国专利4,623,574；4,737,402；4,748,064；和4,916,000中。
所述一个或多个纤维层优选在树脂基体中。纤维片层的树脂基体可以由具有所需特性的许多种弹性体材料形成。在一个实施方案中，按ASTM D638测定，用于这种基体的弹性体材料具有等于或小于约6,000psi(41.4MPa)的初始拉伸模量(弹性模量)。更优选的是，所述弹性体具有等于或小于约2,400psi(16.5MPa)的初始拉伸模量。最优选的是，弹性体材料具有等于或小于约1,200psi(8.23MPa)的初始拉伸模量。这些树脂性材料通常是热塑性的，但热固性材料也是适用的。
或者，可以选择固化后具有至少约1 x 106psi(6895MPa)的高拉伸模量的树脂基体。这种材料的例子披露在例如美国专利6,642,159中，特意将该专利的公开内容按不与本文冲突的程度引入到本文中以供参考。
根据最终用途，复合材料层中树脂基体材料与纤维的比例可以有很大的变化。树脂基体材料优选占纤维和树脂基体总重量的约1至约98重量％，更优选占约5至约95重量％，最优选占约5至约40重量％。
许多种材料可以用作树脂基体，包括热塑性和热固性树脂。例如，可以使用以下的任何材料：聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、多硫化物聚合体、热塑性聚氨酯、聚氨酯弹性体、氯磺化聚乙烯、聚氯丁二烯、使用邻苯二甲酸二辛酯或其它本领域中的已知增塑剂增塑的聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、聚(异丁烯-共-异戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟弹性体、硅酮弹性体、热塑性弹性体、以及乙烯的共聚物。热固性树脂的例子包括可溶于碳-碳饱和溶剂的那些，所述碳-碳饱和溶剂例如是甲乙酮、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、环己烷、乙基丙酮以及它们的组合。热固性树脂当中有乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、邻苯二甲酸二烯丙酯、酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛以及它们的混合物，如前述美国专利6,642,159中披露的那样。用于聚乙烯纤维织物的优选热固性树脂包括至少一种乙烯基酯、邻苯二甲酸二烯丙酯和任选的用于固化所述乙烯基酯树脂的催化剂。
一组优选的材料为共轭二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和异戊二烯是优选的共轭二烯弹性体。苯乙烯、乙烯基甲苯和叔丁基苯乙烯是优选的共轭芳族单体。可以氢化引入聚异戊二烯的嵌段共聚物，以制取具有饱和烃弹性体链段的热塑性弹性体。所述聚合物可以为简单的R-(BA)x(x＝3-150)型三嵌段共聚物；其中A是来自聚乙烯基芳族单体的嵌段，B是来自共轭二烯弹性体的嵌段。优选的树脂基体为异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物，例如购自KratonPolymer LLC的Kraton
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 D1107异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物。
另一种优选的树脂基体是热塑性聚氨酯，例如聚氨酯树脂在水中的共聚物混合物。
树脂材料可以与诸如炭黑、二氧化硅等的填料进行配混，并且可以用油增量，以及采用橡胶技术人员熟知的方法用硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化系统进行硫化。也可以使用不同树脂的共混物。
一般来说，本发明的纤维层优选是这样形成的，初始构造纤维网络，然后用基体组合物涂覆网络。本文中的术语“涂覆”用来在广泛的意义上描述纤维网络，其中对于单个纤维来讲，或者是基体组合物的连续层包围所述纤维，或者是基体组合物的不连续层在所述纤维的表面上。在前一种情况下，可以说纤维完全包埋到基体组合物中。术语涂覆和浸渍在本文中可互换使用。可以通过各种方法构造纤维网络。在优选的单向排列的纤维网络情况中，高韧度长丝的纱线束由纱线架供应，在用基体材料涂覆之前经过导向器和一个或多个平压机进入准直梳中。准直梳使长丝以共面并且基本上单向的方式排列。
可以以任意适当的方式(例如，溶液、分散体或乳液)将基体树脂组合物施加到纤维层(优选为单向纤维网络)上。然后干燥涂覆有基体的纤维网络。可以将基体树脂的溶液、分散体或乳液喷到长丝上。或者，可以通过浸涂或借助于辊涂机等用水溶液、分散体或乳液涂覆长丝结构。涂覆以后，可以使涂覆的纤维层通过烘箱进行干燥，其中涂覆的纤维网络层(单向预浸带)受到足够的热量从而蒸发掉基体组合物中的水或其它液体。然后可以将涂覆的纤维网络放置到载体网上，载体网可以为纸或膜基材，或者最初可以在用基体树脂涂覆之前将纤维放置到载体网上。然后可以按已知的方式将基材和单向预浸带卷绕成连续的卷。
适用于纤维层的纱线可以具有任意合适的纤度，例如约50旦至约3000旦。通过考虑所需的性能及成本加以选择。较细纱线的生产和织造成本较高，但可以产生较好的性能(例如每单位重量更大的防弹效力)。纱线优选是约200旦至约3000旦。更优选纱线是约650旦至约1500旦。最优选纱线是约800旦至约1300旦。
如上所述，第一和第二纤维层中的纤维具有不同的组成。在上面对于这些层所列出的高韧度纤维当中，优选的是伸直链聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维。第一与第二纤维层的重量比可以根据需要而变化。优选的是，第一纤维层与第二纤维层的重量比为约10:1至约1:10，更优选为约3:1至约1:3，最优选为约1.5:1至约1:1.5。在最优选的实施方案中，第一和第二纤维层具有大致相同的重量。根据具体的应用、成本和重量限制的情况，第一和第二纤维层的组合厚度也可以变化。例如，第一和第二纤维层的组合厚度可以为约0.1至约0.8英寸(2.54至20.32mm)，更优选为约0.2至约0.6英寸(5.08至15.24mm)，最优选为约0.3至约0.5英寸(7.62至12.70mm)。
优选第一纤维层的弯曲模量高于第二纤维层的弯曲模量。这种情况下的弯曲模量指的是整个纤维层(包括树脂基体)的弯曲模量。因此，毗邻陶瓷层的层(第一纤维层)比与陶瓷层隔开的层(第二纤维层)刚性更大。
优选的是，第一纤维层的弯曲模量比第二纤维层的弯曲模量高至少约5％。更优选的是，第一纤维层的弯曲模量比第二纤维层的弯曲模量高至少约15％。最优选的是，第一纤维层的弯曲模量比第二纤维层的弯曲模量高至少约25％。本文中的弯曲模量是在室温下按ASTMD790确定的。
在一个优选的实施方案中，第一纤维层由单向非织造织物或机织织物形式的高分子量聚乙烯纤维形成，第二纤维层由机织织物形式或单向非织造织物形式的芳族聚酰胺纤维形成。在另一优选的实施方案中，第一纤维层由机织织物形式或单向非织造织物形式的芳族聚酰胺纤维形成，第二纤维层由单向非织造织物或机织织物形式的高分子量聚乙烯纤维形成。
而且，优选第一和第二纤维层(以及任何附加的纤维层)由已层压在一起的多个片层形成。每个层中的片层数目取决于所需的面密度、厚度、保护级别等。例如，当由高分子量聚乙烯纤维或芳族聚酰胺纤维形成纤维层时，单独片层的数目可以为约2至约200个，更优选为约10至约150个，最优选为约50至约100个。应该理解的是，可以将单独片层预制成多片层预浸渍体。例如，如果预浸渍体由4个片层形成，那么先前提到的片层数目将减少到所指数目的四分之一。
所述单独片层也优选为两个或四个单元的亚组件(subassembly)的形式，其包括交叉叠合的单元，优选对于两个片层单元为0°/90°，对于四个片层单元为0°/90°/0°/90°。纤维层可以由多个这种交叉叠合的单元形成。
采用连续交叉叠合操作，优选由单向预浸渍体的连续卷制造形成本发明纤维层的两个或更多片层的层压体。一种上述的方法描述在美国专利5,173,138和5,766,725中，特此将该专利的公开内容按不与本文冲突的程度结合进来以供参考。或者，可以通过手工或者通过任何其它合适的方式层叠片层。通过在交叉叠合过程中施加热和压力来固结(consolidate)片层(例如，两个片层)。根据所使用的纤维和基体片材的类型，温度范围可以是约90℃至约160℃，压力范围可以是约100至约2500psi(69至17,0000kPa)。“固结”是指使基体材料和纤维片层结合成单个整体层。可以通过干燥、冷却、加热、加压或它们的组合实施固结。
构成本发明纤维层的各片层的组件可以包括刚性组件或柔性组件。刚性组件通常是通过在压力机中例如于上述条件下层叠和固结片层形成的。柔性组件可以通过松散地层叠片层形成，其中所述片层或者不相连，或者例如只在一个或多个边缘通过缝合连接。
每个纤维层的柔韧度取决于所用的纤维和树脂以及加工条件。这些因素是本领域技术人员已知的。
所述纤维层中可以包括一个或多个塑料膜，例如以容许不同层间彼此滑动从而易于形成所需的形状。这些塑料膜通常可以粘附在每个纤维层一个或两个表面上或粘附在形成纤维层的每个固结的预浸渍体两-或四-片层的一个或两个表面上。可以使用任何适当的塑料膜，例如由聚烯烃制成的膜，如线性低密度聚乙烯(LLDPE)膜和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)膜，还有聚酯膜、尼龙膜、聚碳酸酯膜等。这些膜可以具有任意所需的厚度。典型的厚度范围是约0.1至约1.2密耳(2.5至30μm)，更优选为约0.2至约1密耳(5至25μm)，最优选为约0.3至约0.5密耳(7.5至12.5μm)。最优选的是LLDPE膜。
除了本发明的复合材料中存在的高韧度纤维的纤维层以外，还可以使用其它的层。例如，可以在第一纤维层与陶瓷层之间插入纤维玻璃复合材料和/或石墨复合材料。这种复合材料可以用所需的树脂形成，例如用热固性环氧树脂形成。如果存在的话，有利的是这种附加的一个或多个层具有比第一纤维层的弯曲模量更高的弯曲模量。或者，这种复合材料可以存在于本发明制品中的其它位置。
在本发明的一个特别优选的实施方案中，陶瓷层由碳化硅形成，第一纤维层由芳族聚酰胺纤维形成，第二纤维层由高分子量聚乙烯纤维形成，第一和第二纤维层的面密度大致相同。
优选的是，在合适的条件下使陶瓷层以及第一和第二纤维层粘附在一起，例如仅通过在室温粘结或通过在合适的热量和压力下粘结。可以使用任何适当的手段将各层连接在一起，例如使用固体粘合剂膜、液体粘合剂等。粘合剂膜是优选的，例如聚氨酯粘合剂、环氧树脂粘合剂、聚乙烯粘合剂等。如果使用热和压力将各层粘结在一起，优选所使用的温度比上述纤维层的固结中使用的温度低约20至约30℉(11.1至16.7℃)，或者比纤维衬里层中使用的纤维的熔点低约20至约30℉(11.1至16.7℃)。压力可以低于纤维层固结中使用的压力，例如约20至约500psi(0.14至3.4MPa)。如果使用高压釜(autoclave)，压力范围例如可以是约50至约250psi(0.34至1.7MPa)。优选在粘结到陶瓷层之前，优选不使用粘合剂，首先将第一和第二纤维层组装在一起(例如通过在合适的热和压力下模压)。
通过以下给出的非限制性实施例可以更完整地理解本发明。所给出的用于说明本发明原理的具体技术、条件、材料、比例和报告数据都是示例性的，不应视为对本发明范围的限制。
实施例
实施例1(比较)
由陶瓷瓦制备陶瓷复面的板。所述瓦是碳化硅陶瓷(SiC-N，购自Cercom Ceramics，制造商报告的堆积密度为3.20g/cm3，平均粒径(average grain size)3-5μm，抗弯强度(4-pt MOR，室温)为85ksi(586MPa))。使用四片瓦，每个厚度为0.145英寸(3.68mm)，面密度为2.50psf(12.2ksm)，形式为5.25 x 5.25英寸(13.34 x 13.34cm)的片。
纤维层由四-片层高分子量聚乙烯纤维复合材料(SPECTRASHIELD
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 PCR，购自Honeywell International Inc.)形成。这种材料为具有基体树脂(16重量％的Kraton
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 D1107，购自Kraton Polymer LLC的异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物)的非织造单向取向结构。该4-片层结构包括以0°/90°/0°/90°的方式交叉叠合的单独片层。SPECTRA
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聚乙烯纤维具有30g/d的韧度、850g/d的拉伸模量和45g/d的断裂能。
将共42层的所述4-片层预浸渍体切成12 x 12英寸(30.48 x 30.48cm)的尺寸并层叠起来，每个预浸渍体与毗邻的预浸渍体层成90°取向。将预浸渍体的叠层在240℉(116℃)在1500psi(10.3MPa)的压力下模压10分钟，然后冷却。纤维衬里层的面密度为2.05psf(10.0ksm)，厚度为0.422英寸(10.72mm)，弯曲模量为117.5ksi(809.6MPa)。
使用粘合剂膜将四块陶瓷片安置到模压的高分子量聚乙烯非织造织物层上，将合并的结构在240℉(116℃)在100psi(0.69MPa)压力在高压釜中进行固结。粘合剂膜为聚醚脂肪族聚氨酯，购自StevensUrethane，熔程为120至140℃，断裂伸长率为450％，比重为1.07g/cc。总面密度为4.55psf(22.2ksf)。从高压釜中取出后，为测试目的，将整个板用SPECTRA SHIELD
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 PCR非织造织物双向包裹。板的包裹使陶瓷材料保持其完整性(不排出粉碎的部分)，即使在若干次射弹冲击之后也是如此。
按照MIL-STD-662E测试板的防弹性能。射弹为Russian Dragnov子弹(7.62 x 54R LPS)，重149格令(grain)。使用粘土衬里材料确定背面变形(Roma Plastilina #1，4英寸(10cm)厚)。结果列于下表1。
实施例2(比较)
使用不同的纤维衬里材料重复实施例1。衬里材料由GOLDSHIELD
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 RS(购自Honeywell International Inc.)形成，其是具有基体树脂(16重量％的热塑性聚氨酯树脂，制造商描述其为聚氨酯树脂在水中的共聚物混合物)的4-片层芳族聚酰胺非织造单向取向结构。该4-片层结构包括以0°/90°/0°/90°交叉叠合的单独片层。所述芳族聚酰胺纤维纤度为1000旦，韧度为26g/d。
将共44层的所述4-片层预浸渍体切成与实施例1中相同的尺寸并层叠起来，每个预浸渍体与毗邻的预浸渍体层成90°取向。将预浸渍体的叠层在240℉(116℃)在1500psi(10.3MPa)的压力下模压10分钟，然后冷却。纤维衬里层的面密度为2.00psf(9.76ksm)，厚度为0.324英寸(8.23mm)，弯曲模量为159.0ksi(1095.5MPa)。
使用实施例1中的粘合剂膜将四块陶瓷片安置到模压的芳族聚酰胺非织造织物层上，将合并的结构在高压釜中如实施例1进行固结。总面密度为4.50psf(21.96ksf)。然后将整个板用SPECTRA SHIELD
Figure A200780018748D0011192610QIETU
PCR非织造织物双向包裹。
如实施例1中那样测试板的防弹性能。结果列于下表1。
实施例3
重复实施例1，但使用第一高分子量聚乙烯纤维层和使用第二芳族聚酰胺纤维层两者作为衬里层。高分子量聚乙烯层由共20层的实施例1中的4-片层高分子量聚乙烯预浸渍体形成，用作第一纤维衬里层。芳族聚酰胺层由共22层的实施例2中的4-片层芳族聚酰胺预浸渍体形成，用作第二纤维衬里层。
将合并的层切成和实施例1相同的尺寸并层叠，毗邻的高分子量聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维的片层彼此转向90°。合并的层在实施例1中的条件下模压。合并的纤维衬里层的面密度为2.02psf(9.86ksm)，厚度为0.374英寸(9.50mm)，弯曲模量为211.6ksi(1457.9MPa)。
使用实施例1中的粘合剂膜将四块陶瓷片安置在模压的合并的高分子量聚乙烯非织造织物层和芳族聚酰胺非织造织物层上，高分子量聚乙烯层毗邻陶瓷片。合并的结构在高压釜中如实施例1进行固结。总面密度为4.52psf(22.05ksf)。然后将整个板用SPECTRA SHIELD
Figure A200780018748D0011192610QIETU
PCR非织造织物双向包裹。
如实施例1中那样测试板的防弹性能。结果列于下表1。
实施例4
重复实施例3，但高分子量聚乙烯纤维层和芳族聚酰胺纤维层的设置颠倒，芳族聚酰胺层形成第一纤维层(毗邻陶瓷层)，高分子量聚乙烯层形成第二纤维层。
将合并的层切成和实施例1相同的尺寸并层叠，毗邻的高分子量聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维的片层彼此转向90°。合并的层在实施例1中的条件下模压。合并的纤维衬里层的面密度为2.02psf(9.86ksm)，厚度为0.371英寸(9.42mm)，弯曲模量为193.9ksi(1336.0MPa)。
使用实施例1中的粘合剂膜将四块陶瓷片安置在模压的合并的高分子量聚乙烯非织造织物层和芳族聚酰胺非织造织物层上，使芳族聚酰胺层毗邻陶瓷片。合并的结构在高压釜中如实施例1进行固结。总面密度为4.52psf(22.05ksf)。然后将整个板用SPECTRA SHIELD
Figure A200780018748D0011192610QIETU
PCR非织造织物双向包裹。
如实施例1中那样测试板的防弹性能。结果列于下表1。
表1
 
实施例 总厚度英寸(mm)   总面密度，p/f2(kg/m2)    V50，fps(mps)    变形，(mm)  
1* 0.567(14)  4.55(22.2) 2092(638) 41
2* 0.469(12)  4.50(21.9) 2022(616) 35
3 0.519(13)  4.52(22.0) 2128(649) 36
4 0.516(13)  4.52(22.0) 2083(635) 38
*比较
这些实施例表明，本发明的纤维衬里的陶瓷产品与只由一种类型的纤维衬里层形成的比较材料相比具有大约相同或更好的防弹性。比较实施例1和3可以看出，使用单独的芳族聚酰胺纤维层和单独的高分子量聚乙烯纤维层(其中约一半的芳族聚酰胺片层被高分子量聚乙烯片层代替)，与由芳族聚酰胺纤维单层形成的板(所述板具有基本上相同的面密度)相比，得到改进的防弹板。此外，本发明的实施例中背面变形得到改善。比较实施例2和4可以看出，使用单独的高分子量聚乙烯纤维层和单独的芳族聚酰胺纤维层(其中约一半的高分子量聚乙烯片层被芳族聚酰胺片层代替)，与只由高分子量聚乙烯纤维单层形成的板(所述板具有基本上相同的面密度)相比，同样得到改进的防弹板。在此情况下，背面变形基本相同。
因此可以看出，本发明提供了一种由至少两个纤维层形成的陶瓷板，所述至少两个纤维层具有不同的纤维组成，但防弹能力不受损害。事实上，当通过V50性能测量时，防弹能力提高。这意味着可以用两层不同的高韧度纤维代替单层高韧度纤维的陶瓷衬里(面密度基本相同)，并且达到所需的防弹性能。因此，当一种纤维材料可能供应短缺时，可以用另一种高韧度纤维材料取代相当一部分的这种材料，并且仍然达到所需的性能。这就大大增加了在许多关键的应用当中板的生产和供应的灵活性。
本发明的板特别适用于陆地运输工具和飞机的防弹保护。它们也适合用作诸如背心和头盔的防弹衣的插入物，适用于固定装置以及国土安全应用方面。
本文已经相当详细地对本发明进行了描述，应该理解的是，这些细节不是必须严格遵守的，本领域的技术人员会意识到进一步的变化及修改形式，这些也都涵盖在本发明的由附加的权利要求确定的范围以内。

Claims (36)

1.一种防弹板，所述板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第一纤维层的所述朝外表面毗邻所述陶瓷层的所述朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第二纤维层的所述朝外表面毗邻所述第一纤维层的所述朝内表面；
所述第一类型高韧度纤维的组成不同于所述第二类型高韧度纤维的组成；
所述第一纤维层的刚性大于所述第二纤维层。
2.权利要求1的板，其中与只具有包含与所述第一或第二类型高韧度纤维相同类型的高韧度纤维的单纤维层的类似陶瓷板结构的防弹性相比，所述板具有基本上等同或更高的防弹性，该单纤维层的面密度与所述第一纤维层和所述第二纤维层的组合面密度基本相同。
3.权利要求2的板，其中所述第一纤维层的弯曲模量比所述第二纤维层的弯曲模量大至少约15％。
4.权利要求2的板，其中所述第一纤维层的弯曲模量比所述第二纤维层的弯曲模量大至少约25％。
5.权利要求2的板，其中所述第一类型高韧度纤维选自于高分子量聚乙烯、高分子量聚丙烯、芳族聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚苯并唑、聚酯和刚性棒纤维，所述第二类型高韧度纤维选自于高分子量聚乙烯、高分子量聚丙烯、芳族聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚苯并唑、聚酯和刚性棒纤维。
6.权利要求5的板，其中所述第一和第二类型高韧度纤维具有至少约22g/d的韧度。
7.权利要求5的板，其中所述第一和第二类型高韧度纤维具有至少约28g/d的韧度。
8.权利要求5的板，其中所述第一纤维层和所述第二纤维层的至少之一为具有树脂基体的非织造单向取向纤维网络的形式。
9.权利要求8的板，其中所述树脂占所述第一纤维层和第二纤维层的所述至少之一的约5至约40重量％。
10.权利要求8的板，其中所述第一和第二纤维层的所述至少之一包括多个彼此相互取向的单独片层。
11.权利要求10的板，其中所述片层与毗邻的片层成90°取向。
12.权利要求5的板，其中所述第一和第二纤维层均为具有树脂基体的非织造单向取向纤维网络的形式。
13.权利要求11的板，其中所述第一和第二纤维层均包括多个彼此相互取向的单独片层。
14.权利要求5的板，其中所述第一纤维层和所述第二纤维层的至少之一为具有树脂基体的机织织物的形式。
15.权利要求5的板，其中所述第一和第二纤维层每个都包括多个彼此相互取向的单独片层，片层的数目为约2至约200个。
16.权利要求5的板，其中所述第一纤维层包含选自于高分子量聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维的纤维，所述第二第一纤维层包含选自于高分子量聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维的纤维。
17.权利要求16的板，其中所述第一纤维层包含芳族聚酰胺纤维，所述第二纤维层包含高分子量聚乙烯纤维。
18.权利要求1的板，其中所述陶瓷层包含选自于金属和非金属氮化物、硼化物、碳化物和氧化物以及它们的混合物的陶瓷材料。
19.权利要求1的板，其中所述陶瓷层包含选自于碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼、二硼化钛、氧化铝和氧化镁、以及它们的混合物的陶瓷材料。
20.权利要求1的板，其中所述陶瓷层包含碳化硅。
21.权利要求1的板，还包括插在所述第一纤维层与所述陶瓷层之间的第三纤维层。
22.权利要求21的板，其中所述第三纤维层的所述纤维选自于玻璃纤维和石墨纤维。
23.权利要求1的板，还包括至少一层塑料膜。
24.一种防弹板，所述板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第一类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，所述第一纤维层的所述朝外表面毗邻所述陶瓷层的所述朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第二类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，所述第二纤维层的所述朝外表面毗邻所述第一纤维层的所述朝内表面；
所述第一类型高韧度纤维的组成不用于第二类型高韧度纤维的组成；
所述第一纤维层的弯曲模量比所述第二纤维层的弯曲模量大至少约5％。
25.权利要求24的板，其中与只具有包含与所述第一或第二类型高韧度纤维相同类型的高韧度纤维的单纤维层的类似陶瓷板结构的防弹性相比，所述板具有基本上等同或更高的防弹性，该单纤维层的面密度与所述第一纤维层和所述第二纤维层的组合面密度基本相同。
26.权利要求24的板，其中所述第一纤维层的弯曲模量比所述第二纤维层的弯曲模量大至少约25％。
27.权利要求24的板，其中所述陶瓷层包含碳化硅。
28.权利要求24的板，其中所述第一纤维层和所述第二纤维层的至少之一为具有树脂基体的非织造单向取向纤维网络的形式。
29.权利要求28的板，其中所述第一和第二纤维层每个都包括多个预浸渍体，所述预浸渍体包括彼此相互取向的多个纤维片层。
30.权利要求29的板，其中所述第一纤维层包含芳族聚酰胺纤维，所述第二纤维层包含高分子量聚乙烯纤维。
31.权利要求30的板，其中所述第一纤维层的所述树脂基体包括热塑性聚氨酯树脂，所述第二纤维层的所述树脂基体包括苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
32.一种防弹板，该板包括：
具有朝外表面和朝内表面的面向外的陶瓷层，所述陶瓷层包含碳化硅；
第一纤维层，所述第一纤维层包含第一类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第一类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，所述第一纤维层的所述朝外表面毗邻所述陶瓷层的所述朝内表面；和
第二纤维层，所述第二纤维层包含第二类型高韧度纤维的网络并具有朝外表面和朝内表面，所述第二类型高韧度纤维选自于芳族聚酰胺纤维和高分子量聚乙烯纤维，所述第二纤维层的所述朝外表面毗邻所述第一纤维层的所述朝内表面；
所述第一和第二纤维层每个都为具有树脂基体的非织造单向取向纤维网络的形式，
所述第一类型高韧度纤维的组成不同于所述第二类型高韧度纤维的组成；
所述第一纤维层的弯曲模量比所述第二纤维层的弯曲模量大至少约15％，
由此，与只具有包含与所述第一或第二类型高韧度纤维相同类型的高韧度纤维的单纤维层的类似陶瓷板结构的防弹性相比，所述板具有基本上等同或更高的防弹性，该单纤维层的面密度与所述第一纤维层和所述第二纤维层的组合面密度基本相同。
33.权利要求32的板，其中当所述纤维是芳族聚酰胺纤维时，所述树脂基体是热塑性聚氨酯树脂，而当所述纤维是高分子量聚乙烯纤维时，所述树脂基体是苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
34.权利要求33的板，其中所述第一纤维层的厚度与所述第二纤维层的厚度之比是约1.5:1至约1:1.5。
35.权利要求34的板，其中所述第一类型高韧度纤维的纤度和所述第二类型高韧度纤维的纤度为约50至约3000旦。
36.权利要求35的板，其中所述第一纤维层通过粘合剂膜粘附于所述陶瓷层。
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