CN103234390A - 一种双层活性混凝土填充复合结构装甲及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种双层活性混凝土填充复合结构装甲及其制备方法，通过在三块金属面板之间以焊接方式与两块正放四角锥金属网架组的上部与下部构成双层空心金字塔点阵夹层结构，空心金字塔点阵夹层结构内的三棱柱状空心结构中置有与其形状相适配的三棱柱状混凝土，在空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土之间的间隙中充满树脂材料；本发明双层复合结构装甲具有重量轻、抗侵彻性能优异、可抵抗二次打击、发挥了装甲结构的整体防护作用等特点，且其制备工艺复杂度低、成本低。

Description

一种双层活性混凝土填充复合结构装甲及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合结构装甲设计及其制备技术领域，具体涉及一种双层活性混凝土填充复合结构装甲及其制备方法。

背景技术

单层均质金属装甲是使用最早、抗侵彻性能良好的一种装甲材料，但由于其密度高（钢的密度约为8.0g/cm³），质量大，严重影响了车辆的机动性和运行能力。

为了综合考虑装甲的可靠性、重量及成本等问题，研究人员发明了复合结构装甲替代单层均质金属装甲。复合结构装甲是由两层以上不同性能的防护材料组成的非均质装甲，它们具有较强的综合抗侵彻性能。

现有轻型装甲车辆的装甲中，金属与陶瓷复合组成的单层或双层复合结构装甲应用最为广泛。而其中一种双层复合结构装甲每层均由金属波纹板结构为骨架、陶瓷材料为芯部以及二者之间的空隙处填充树脂材料构成。但由于陶瓷密度较高，一般大于3.0g/cm³，增加了车身重量，影响了车辆的机动性。同时陶瓷一般需要经过高温烧结而成，制备与金属波纹板空隙形状相适配的陶瓷需要特定的模具，因此该复合结构装甲的制备较为困难，成本较高。另外，金属波纹板的存在相当于把整体结构分割成了几个相对独立的部分，在子弹作用的较小范围内存在应力集中现象，应力在各个部分之间的传递较困难。因此，该结构很难发挥出复合结构装甲的整体约束作用。在子弹侵彻作用下，复合结构装甲往往只是小范围内直接被子弹贯穿破坏，其他部分基本无变形，故并未能将整个结构的防护作用得到充分发挥。而且，金属波纹板的隔离作用给流动性较差的树脂材料的填充增加了一定的困难，因此该复合结构的制备工艺复杂度较高。

研究人员尝试过使用密度较低的普通混凝土材料替代上述双层波纹板复合结构中的陶瓷材料。由于普通混凝土的抗压强度与陶瓷相比较低，替代后的复合结构装甲的抗侵彻性能大幅度下降。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双层活性混凝土填充复合结构装甲及其制备方法，本发明双层复合结构装甲具有重量轻、抗侵彻性能优异、可抵抗二次打击、发挥了装甲结构的整体防护作用等特点，且其制备工艺复杂度低、成本低。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种双层活性混凝土填充复合结构装甲，包括金属面板组、固定在金属面板组间的正放四角锥金属网架组2、置于金属面板组和正放四角锥金属网架组2间的混凝土芯材组以及填充在混凝土芯材组与金属面板组和正放四角锥金属网架组2间的树脂材料4，所述金属面板组由自上而下顺序设置的三块金属面板1组成，每两块相邻的金属面板1分别与和金属面板1成角度为θ的正放四角锥金属网架组2的上部和下部固定构成双层空心金字塔点阵夹层结构，双层空心金字塔点阵夹层结构内的三棱柱状空心结构中置有与其形状相适配的三棱柱状混凝土3，在双层空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土3之间的间隙中充满树脂材料4。

所述金属面板1为厚度不小于0.5mm的普通钢板、不锈钢板、铝合金板或钛板，相邻两块金属面板1间的间距不小于5mm。

所述正放四角锥金属网架组2为去除底部棱的正放四角锥金属网架，每个四角棱锥的棱厚为0.4mm-8mm，其材质为普通钢材、不锈钢材或铝合金材；所述正放四角锥金属网架组2的四角锥棱与金属面板1之间所夹角度θ为10°-80°。

所述空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土3之间的间隙为0.5mm-1mm。

所述树脂材料4为环氧类树脂、聚酰胺或氨基树脂。

上述所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：首先采用平整机对金属板材进行平整，然后对其除锈除油，得到三块金属面板1，再将退火处理后的金属板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，之后采用液压机通过正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得两块去除底部棱的正放四角锥金属网架组2，最后采用高温钎焊或激光焊将三块金属面板1分别与两块正放四角锥金属网架组2的顶部和底部逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构；

步骤2：首先加工与步骤1中得到的双层金字塔点阵夹层结构内空心结构相同的三棱柱模具，然后以水、高标号水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂及钢纤维或铁粉为原料按预设配比混合并机械搅拌3-15min，得到混合料，将混合料倒入三棱柱模具内，振实、压力成型，静置，拆模，养护，最终获得三棱柱状混凝土3；

步骤3：将步骤2中获得的三棱柱状混凝土3插入步骤1中获得的双层空心金字塔点阵夹层结构的三棱柱状空心结构中，控制金字塔点阵夹层结构内空心结构和三棱柱状混凝土3之间的间隙为0.5mm-1mm；然后通过树脂注射机向空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土3之间的间隙中注射液态树脂材料4，并经过固化，固化成型后即得到双层活性混凝土填充复合结构装甲。

步骤1所述制备正放四角锥金属网架组2的金属网板厚度不小于0.5mm，每个菱形网孔的短对角线的长度为2mm-30mm，其长对角线的长度为4mm-70mm。

步骤2所述的混合料中，硅灰占水泥与硅灰总质量的5-30%，水与水泥加硅灰的质量比为0.12-0.22:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为0.5-1.5:1，钢纤维或铁粉体积占混合料总体积的1-10%，高效减水剂质量占混合料总质量的0.5-3%。

所述高效减水剂为聚羧酸减水剂。

步骤2所述压力成型中压力为0-100MPa；静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置4-24h；养护为：0-50℃和60-90℃水域中分别养护4-24h后，再在200-400℃烘箱中保温4-24h。

和现有技术相比，本发明所得到的双层活性混凝土填充复合结构装甲的优点如下：

1、在子弹侵彻作用下，金字塔点阵夹层结构内纵横交错的金属网架的变形及破坏过程能够改变弹丸的冲击状态，起到偏转和销蚀弹丸的作用。树脂材料的存在使混凝土三棱柱与金属网架结构之间有效结合的同时，在金属骨架与混凝土间增加了中间相，使该复合结构成为一个整体，防止了混凝土在侵彻作用下碎裂后迸出碎片造成二次伤害。

2、双层复合结构的存在利于发挥其较强抗冲击能力。子弹在经过第一层结构后弹头被镦粗并偏转方向，增加了子弹在复合结构中运动的阻力和距离，在与第二层结构作用的时候子弹动能大幅度降低，极易被第二层结构所捕获。因此双层复合结构装甲弥补了单层结构装甲极易被飞弹弹丸击穿而丧失保护作用的缺陷，并且该双层复合结构装甲依然保持了轻质的特点，并不会造成质量过于沉重而影响车辆的机动性能的缺陷。

3、与陶瓷相比，高强度活性粉末混凝土的制备成本低，密度低；与普通混凝土相比，高强度活性粉末混凝土的抗压强度高，可以有效销蚀弹丸的冲击作用，而且该混凝土内的钢纤维可增加材料的韧性，削弱碎片飞溅引起的二次损伤。

4、在对金属波纹板夹层结构进行树脂填充时，由于波纹板将整个结构分隔成各个小单胞，需要对每个单胞进行树脂填充。而采用金字塔点阵夹层结构替代金属波纹板夹层结构，整体结构具有连通性。因此，该结构简化了树脂材料的填充过程，降低了制备工艺复杂度，而且更能保证复合结构的整体性。

因此，本发明双层复合结构装甲具有重量轻、抗侵彻性能优异、可抵抗二次打击、发挥了装甲结构的整体防护作用等特点，且其制备工艺复杂度低、成本低。

附图说明

图1是本发明未填充树脂材料之前，双层金字塔点阵夹层结构与三棱柱状混凝土相对位置示意图，是从易于观察的角度去除部份上金属面板的结构示意图。

图2是本发明已成型的双层活性混凝土填充复合结构装甲的结构示意图，是从易于观察的角度去除部份上金属面板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例一种双层活性混凝土填充复合结构装甲的制备方法，步骤如下：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为0.5mm的普通钢板进行平整，然后对其除锈除油，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为0.5mm的普通钢板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为30°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、三棱柱状混凝土3的制备：首先加工与金字塔点阵夹层结构内空心结构相适配的底角为30°的三棱柱模具，以42.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及铁粉为原料混合并机械搅拌5min，将搅拌料倒入三棱柱模具内，振实、压力成型，静置，拆模，养护，最终获得高强三棱柱状混凝土3；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的10%，水与水泥加硅灰的质量比为0.12:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为0.5:1，铁粉体积占混合料总体积的1%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的0.5%；混凝土压力成型中压力为0MPa，静置为恒温恒湿养护箱内静置4h；养护制度是，50℃和80℃水域中分别养护4h后，再在250℃烘箱中保温4h；

步骤3、在双层空心金字塔点阵夹层结构内三棱柱状空心结构内插入与其相适配的三棱柱状混凝土3，控制空心金字塔点阵夹层结构内空心结构和三棱柱状混凝土3间的间隙为0.5mm；

步骤4、在双层空心金字塔点阵夹层结构与三棱柱状混凝土3之间的间隙中通过树脂注射机注射液态环氧树脂材料，然后对填充了液态环氧树脂材料的复合结构装甲进行固化，固化成型后即得到双层活性混凝土填充复合结构装甲，如图2所示。

实施例2：

本实施例一种双层活性混凝土填充复合结构装甲的制备方法，步骤如下：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为1mm的不锈钢板进行平整，然后对其除锈除油，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为1mm的不锈钢板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为45°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、三棱柱状混凝土3的制备：首先加工与金字塔点阵夹层结构内空心结构相适配的底角为45°的三棱柱模具，以42.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及钢纤维为原料混合并机械搅拌10min，将搅拌料倒入三棱柱模具内，振实、压力成型，静置，拆模，养护，最终获得高强三棱柱状混凝土3；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的20%，水与水泥加硅灰的质量比为0.18:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为1:1，钢纤维体积占混合料总体积的5%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的1.5%；混凝土压力成型中压力为50MPa，静置为恒温恒湿养护箱内静置15h；养护制度是，0℃和60℃水域中分别养护24h后，再在200℃烘箱中保温24h；

步骤3、在双层空心金字塔点阵夹层结构内三棱柱状空心结构内插入与其相适配的三棱柱状混凝土3，控制空心金字塔点阵夹层结构内空心结构和三棱柱状混凝土3间的间隙为0.8mm；

步骤4、在双层空心金字塔点阵夹层结构与三棱柱状混凝土3之间的间隙中通过树脂注射机注射液态聚酰胺材料，然后对填充了液态聚酰胺材料的复合结构装甲进行固化，固化成型后即得到双层活性混凝土填充复合结构装甲，如图2所示。

实施例3：

本实施例一种双层活性混凝土填充复合结构装甲的制备方法，步骤如下：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为1.5mm的铝合金板进行平整，然后对其除锈除油，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为1.5mm的铝合金板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为60°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、三棱柱状混凝土3的制备：首先加工与金字塔点阵夹层结构内空心结构相适配的底角为60°的三棱柱模具，以42.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及钢纤维为原料混合并机械搅拌15min，将搅拌料倒入三棱柱模具内，振实、压力成型，静置，拆模，养护，最终获得高强三棱柱状混凝土3；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的30%，水与水泥加硅灰的质量比为0.22:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为1.5:1，钢纤维体积占混合料总体积的10%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的3%；混凝土压力成型中压力为100MPa，静置为恒温恒湿养护箱内静置24h；养护制度是，0℃和90℃水域中分别养护24h后，再在400℃烘箱中保温12h；

步骤3、在双层空心金字塔点阵夹层结构内三棱柱状空心结构内插入与其相适配的三棱柱状混凝土3，控制空心金字塔点阵夹层结构内空心结构和三棱柱状混凝土3间的间隙为1mm；

步骤4、在双层空心金字塔点阵夹层结构与三棱柱状混凝土3之间的间隙中通过树脂注射机注射液态氨基树脂材料，然后对填充了液态氨基树脂材料的复合结构装甲进行固化，固化成型后即得到双层活性混凝土填充复合结构装甲，如图2所示。

Claims (10)

1.一种双层活性混凝土填充复合结构装甲，其特征在于：包括金属面板组、固定在金属面板组间的正放四角锥金属网架组（2）、置于金属面板组和正放四角锥金属网架组（2）间的混凝土芯材组以及填充在混凝土芯材组与金属面板组和正放四角锥金属网架组（2）间的树脂材料（4），所述金属面板组由自上而下顺序设置的三块金属面板（1）组成，每两块相邻的金属面板（1）分别与和金属面板（1）成角度为θ的正放四角锥金属网架组（2）的上部和下部固定构成双层空心金字塔点阵夹层结构，双层空心金字塔点阵夹层结构内的三棱柱状空心结构中置有与其形状相适配的三棱柱状混凝土（3），在双层空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土（3）之间的间隙中充满树脂材料（4）。

2.根据权利要求1所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲，其特征在于：所述金属面板（1）为厚度不小于0.5mm的普通钢板、不锈钢板、铝合金板或钛板，相邻两块金属面板（1）间的间距不小于5mm。

3.根据权利要求1所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲，其特征在于：所述正放四角锥金属网架组（2）为去除底部棱的正放四角锥金属网架，每个四角棱锥的棱厚为0.4mm-8mm，其材质为普通钢材、不锈钢材或铝合金材；所述正放四角锥金属网架组（2）的四角锥棱与金属面板（1）之间所夹角度θ为10°-80°。

4.根据权利要求1所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲，其特征在于：所述空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土（3）之间的间隙为0.5mm-1mm。

5.根据权利要求1所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲，其特征在于：所述树脂材料（4）为环氧类树脂、聚酰胺或氨基树脂。

6.权利要求1至5任一项所述的双层活性混凝土填充复合结构装甲的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：首先采用平整机对金属板材进行平整，然后对其除锈除油，得到三块金属面板（1），再将退火处理后的金属板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，之后采用液压机通过正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得两块去除底部棱的正放四角锥金属网架组（2），最后采用高温钎焊或激光焊将三块金属面板（1）分别与两块正放四角锥金属网架组（2）的顶部和底部逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构；

步骤2：首先加工与步骤1中得到的双层金字塔点阵夹层结构内空心结构相同的三棱柱模具，然后以水、高标号水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂及钢纤维或铁粉为原料按预设配比混合并机械搅拌3-15min，得到混合料，将混合料倒入三棱柱模具内，振实、压力成型，静置，拆模，养护，最终获得三棱柱状混凝土（3）；

步骤3：将步骤2中获得的三棱柱状混凝土（3）插入步骤（1）中获得的双层空心金字塔点阵夹层结构的三棱柱状空心结构中，控制金字塔点阵夹层结构内空心结构和三棱柱状混凝土（3）之间的间隙为0.5mm-1mm；然后通过树脂注射机向空心金字塔点阵夹层结构和三棱柱状混凝土（3）之间的间隙中注射液态树脂材料（4），并经过固化，固化成型后即得到双层活性混凝土填充复合结构装甲。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤1所述制备正放四角锥金属网架组（2）的金属网板厚度不小于0.5mm，每个菱形网孔的短对角线的长度为2mm-30mm，其长对角线的长度为4mm-70mm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2所述的混合料中，硅灰占水泥与硅灰总质量的5-30%，水与水泥加硅灰的质量比为0.12-0.22:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为0.5-1.5:1，钢纤维或铁粉体积占混合料总体积的1-10%，高效减水剂质量占混合料总质量的0.5-3%。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述高效减水剂为聚羧酸减水剂。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2所述压力成型中压力为0-100MPa；静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置4-24h；养护为：0-50℃和60-90℃水域中分别养护4-24h后，再在200-400℃烘箱中保温4-24h。

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