CN104057649B - 一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃及加工方法，该防弹玻璃由多层结构组成，包括至少一层蓝宝石层以及包覆于蓝宝石层外的透光层A和透光层B，透光层A或者透光层B与蓝宝石层的一面组成一个夹层结构，该夹层结构中间设置有折射率与蓝宝石层接近的有机填充层；所述蓝宝石层为高温氧化铝溶液通过定向凝固生长形成的单晶板材，且与透光层A和/或透光层B组成夹层结构的蓝宝石层的一面未经抛光处理。本发明所提的一种易于加工的蓝宝石防弹玻璃，在降低制作成本的同时，规避了困难的蓝宝石磨抛，同时拥有良好的抗弹能力。

Description

一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃及加工方法

技术领域

本发明涉及一种单晶蓝宝石防弹玻璃，尤其涉及一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，还涉及该防弹玻璃的加工方法。

背景技术

防弹玻璃是由玻璃（或者有机玻璃）和优质工程塑料经特殊加工得到的一种复合型材料，不同厂商生产的防弹玻璃各异但基本上都是在玻璃层中夹上聚碳酸酯材料，这一过程称为层压。在这个过程中，形成了一种类似普通玻璃但比普通玻璃更厚的物质。玻璃可以是普通的玻璃、浮法玻璃、透明微晶或强化玻璃等，聚碳酸酯是一种硬性透明塑料。防弹玻璃的厚度在7mm到75mm之间。射在防弹玻璃上的子弹会将外层的玻璃击穿，但聚碳酸酯玻璃材料层能够吸收子弹的能量，从而阻止它穿透玻璃内层。CN203229462U公开了一种新型防弹玻璃，包括铯钾玻璃复合层，该铯钾玻璃复合层的上部与下部分别设有与之相粘合的硅酸盐溶液膜层。CN2499227Y公开了一种防爆防弹玻璃，包括含PVB或PU胶片的平面或弧面夹层玻璃，并且在夹层玻璃中的PVB或PU胶片的玻璃之间有一钛金膜或PC板。CN103486908A公开了一种防弹玻璃，依次由夹层玻璃、聚氨酯胶片和PC板复合而成。CN101795862A公开了一种抗穿甲弹的窗玻璃，包含三个玻璃层，玻璃层之间被粘合层连接，粘合层采用放碎裂和吸能材料复合而成。

防弹玻璃在抗弹过程中，外层玻璃被子弹撞击和侵蚀，最后断裂，因此防弹玻璃的外层防弹板的高强度和高压缩性是决定了整个防弹玻璃抗弹性能的最主要因素之一。而玻璃属于多晶材料，其弹性模量、抗拉强度和抗剪强度远不及钢弹，因此防弹玻璃的应用范围受制于玻璃的种种特性。

另一方面，蓝宝石拥有极高的熔点，其弹性模量、抗拉强度和抗剪强度可以超过一般的炮钢。通常用于防弹玻璃的蓝宝石应具有板材形状。蓝宝石的晶体生长方法一般是将高温氧化铝熔液通过定向凝固的方法生成。EFG晶体生长是最常用的一种蓝宝石晶体板材的生长方法，但直接生长出炉的晶体表面粗糙，而粗糙的表面对光进行了不同方向的折射，使其可见光透过后的图像采生了严重变形，无法达到透明装甲对外部观察的要求。在以往的蓝宝石单晶EFG板材在应用于防弹玻璃之前，为了解决粗糙的表面对光不同方向折射的影响，需要对晶体进行磨抛处理。这是一个加工成本很大的处理。因为蓝宝石莫氏硬度达到9，磨抛的过程难度大、而且加工过程中还要注意防止晶体表面应力变化，当板材的面积很大时，硬度很高的材料磨抛很难保证平整度（TTV）和翘曲度（BOW）。

因此，如果想低成本的利用蓝宝石作为防弹透明装甲，需要降低蓝宝石防弹玻璃的制造难度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，降低制作成本，制得的防弹玻璃具有良好的炕单能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，所述防弹玻璃由多层结构组成，包括至少一层蓝宝石层以及包覆于蓝宝石层外的透光层A和透光层B，透光层A或者透光层B与蓝宝石层的一面组成一个夹层结构，该夹层结构中间设置有折射率与蓝宝石层接近的有机填充层。

进一步地，所述的蓝宝石层为高温氧化铝溶液通过定向凝固生长形成的单晶板材，且与透光层A或者透光层B组成夹层结构的蓝宝石层的一面未经抛光处理。

进一步地，所述的有机填充层的折射率为1.755～1.765。

进一步地，所述的有机填充层的填充物质为二碘甲烷或者高折射率光固化有机硅树脂。

进一步地，所述的高折射率光固化有机硅树脂为含有丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅树脂。

进一步地，所述的透光层A或者透光层B为普通光学玻璃或者具有韧性的透明有机材料。

进一步地，所述的具有韧性的透明有机材料为聚碳酸酯类板材。

进一步地，所述的蓝宝石层为导膜法生长蓝宝石晶体，其厚度为8～50mm；透光层A的厚度为0.2～10mm；透光层B的厚度为1～10mm；有机填充层的厚度2～20mm。

本发明还提供了一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃的加工方法，包括以下步骤：

（1）准备透光材料和蓝宝石单晶板材；

（2）在蓝宝石层的两侧设置由透光材料制成的透光层A和透光层B，蓝宝石层与透光层A和/或透光层B组成的夹层内注入有机填充物质，通过紫外线照射后，使有机填充物质与蓝宝石层表面无缝紧密贴合；如蓝宝石层与透光层A或透光层B无夹层结构，则将透光层A或透光层B贴合于单晶蓝宝石层的一侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在透光层A或透光层B上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温即可。

本发明的有益效果：

1、本发明所提的一种易于加工的蓝宝石防弹玻璃，结构合理，拥有良好的抗弹能力；

2、本发明蓝宝石防弹玻璃的加工方法简便，规避了困难的蓝宝石磨抛处理，其加工成本和加工难度，较光学效果等同级别的蓝宝石均大幅降低。

附图说明

图1为本发明的实施例1的防弹玻璃的结构示意图；

图中，1-光学玻璃层；2-外层光固化树脂层；3-单晶蓝宝石层；4-内层光固化树脂层；5-聚碳酸酯有机材料层；

图2为本发明的实施例2的防弹玻璃的结构示意图；

图中，1-普通光学玻璃层；2-二碘甲烷层；3-蓝宝石层；4-聚碳酸酯有机材料层；

图3图1为本发明的实施例3的防弹玻璃的结构示意图；

图中，1-普通光学玻璃层、2-光固化有机硅树脂层A、3-蓝宝石层A、4-光固化有机硅树脂层B、5-蓝宝石层B、6-光固化有机硅树脂层C、7-聚碳酸酯有机材料层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，由多层结构组成，包括至少一层蓝宝石层以及包覆于蓝宝石层外的透光层A和透光层B，透光层A或者透光层B与蓝宝石层的一面组成一个夹层结构，该夹层结构中间设置有折射率与蓝宝石层接近的有机填充层。

其中，蓝宝石层为高温氧化铝溶液通过定向凝固生长形成的单晶板材，且与透光层A和/或透光层B组成夹层结构的蓝宝石层的一面未经抛光处理。

与蓝宝石层折射率接近的有机填充层的有机填充物质为二碘甲烷，由于二碘甲烷在常温下折射率与蓝宝石接近的液体，因此二碘甲烷与蓝宝石层表面（未经过抛光处理）形成无间隙接触；与蓝宝石层折射率接近的有机填充层的有机填充物质也可以为高折射率光固化有机硅树脂。通常这种光固化有机硅树脂的预制物，在常温或者适当的温度下为液体，注入夹层后可以与蓝宝石表面形成无间隙接触。该液体在适当波段的光线照射下可转化为折射率与蓝宝石接近的有机固体。例如，采用含丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅树脂，则可以方便地通过调节苯基的浓度来调整折射率的大小，使得通光固化后的物质的光波折射率为1.755至1.765之间。

与蓝宝石层形成夹层的透光层A和透光层B，根据防弹玻璃性能的要求，可以是不同特性的透光材料。比如聚碳酸酯类板材之类的有机材料，在满足透光性的同时还有一定的韧性，可确保防弹玻璃被子弹击中后的碎片剥离。又比如采用防紫外线的光学玻璃，可以增加防弹玻璃的防紫外线特性。

根据使用场合和目的蓝宝石层的厚度通常为5～50mm，若蓝宝石层的厚度低于5mm，则抗弹明显能力降，若蓝宝石层的厚度超过50mm，则EFG工艺生长蓝宝石晶体难以实现。实验表明，通常25mm蓝宝石板抗弹能力相当于80mm钢板，可满足多数场合要求。

根据相对折射率定理，

其中是入射光侧介质可见光波段的折射率，是入射角。是折射光侧介质可见光波段的折射率，是折射角。

当光束入射未经处理的单晶蓝宝层时，光线在蓝宝石层和空气界面发生折射，由于表面粗糙度比较低，凹凸点距离非常大，肉眼通过凹凸观察远处物体变形，造成无法观察。

但对于具有夹层结构的蓝宝石层表面而言，由于蓝宝石层和夹层内的填充材料之间没有间隙，当蓝宝石层的折射率和填充物质的折射率基本当等时，入射角和折射角基本相等，即介质内部光线基本沿直线传播。因此当光线由蓝宝石层入射穿过有机填充层时，虽然光线穿过蓝宝石层和有机填充层之间的界面依然是不平整的界面，但肉眼依然无法发现通过折射后的物体变形。当光线由有机填充层入射穿过蓝宝石层时，情况亦然。这样就通过一种非常容易的方式，实现了透光性及防止光学畸变的要求，而防弹玻璃整体则拥有单晶蓝宝石出色的机械性能和防弹能力。

易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃的加工方法，包括以下步骤：

（1）准备透光材料和蓝宝石单晶板材；

（2）在蓝宝石层的两侧设置由透光材料制成的透光层A和透光层B，蓝宝石层与透光层A和/或透光层B组成的夹层内注入有机填充物质，通过紫外线照射后，使有机填充物质与蓝宝石层表面无缝紧密贴合；如蓝宝石层与透光层A或透光层B无夹层结构，则将透光层A或透光层B贴合于单晶蓝宝石层的一侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在透光层A或透光层B上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温即可。

实施例1

如图1所示的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，由5层结构组成，包括普通光学玻璃层1、外层光固化有机硅树脂层2、蓝宝石层3、内层光固化有机硅树脂层4以及聚碳酸酯有机材料层5。

采用一块普通光学玻璃厚度为8mm，EFG法生长的蓝宝石单晶板材厚度为15mm，一层聚碳酸酯有机纤维板厚度为5mm。在普通光学玻璃和蓝宝石单晶板材之间注入含丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅预聚物（液体）。通过紫外线照射后，含丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅预聚物变成苯基有机硅树脂（固体）与蓝宝石表面紧密接触。在聚碳酸酯有机纤维板和蓝宝石单晶板材之间注入含丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅预聚物（液体）。通过紫外线照射后，含丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅预聚物变成苯基有机硅树脂（固体）与蓝宝石表面紧密接触。以上过程即完成了防弹玻璃的制作，而不需要将蓝宝石表面经过磨抛处理。

所得防弹玻璃经过测试，弹速在700m/s的56式钢弹和56式穿燃弹均未能击穿防弹玻璃。

实施例2

如图2所示的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，由4层结构组成，包括普通光学玻璃层1、二碘甲烷层2、蓝宝石层3以及聚碳酸酯有机材料层4。

所得防弹玻璃经过测试，弹速在700m/s的56式钢弹和56式穿燃弹均未能击穿防弹玻璃。

实施例3

如图3所示的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，由8层结构组成，包括普通光学玻璃层1、光固化有机硅树脂层A2、蓝宝石层A3、光固化有机硅树脂层B4、蓝宝石层B5、光固化有机硅树脂层C6、聚碳酸酯有机材料层7。

所得防弹玻璃经过测试，弹速在700m/s的56式钢弹和56式穿燃弹均未能击穿防弹玻璃。

本发明的所得防弹玻璃，经过测试其平均断裂强度为360-380MPa,与典型的单晶蓝宝石的350-400MPa基本相当，适合作为透明装甲使用。

Claims (8)

1.一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述防弹玻璃由多层结构组成，包括至少一层蓝宝石层以及包覆于蓝宝石层外的透光层A和透光层B，透光层A或者透光层B与蓝宝石层的一面组成一个夹层结构，该夹层结构中间设置有折射率与蓝宝石层接近的有机填充层；所述的蓝宝石层为高温氧化铝溶液通过定向凝固生长形成的单晶板材，且与透光层A和/或透光层B组成夹层结构的蓝宝石层的一面未经抛光处理。

2.根据权利要求1所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的有机填充层的折射率为1.755～1.765。

3.根据权利要求1或2所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的有机填充层的有机填充物质为二碘甲烷或者高折射率光固化有机硅树脂。

4.根据权利要求3所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的高折射率光固化有机硅树脂为含有丙烯酸酯基团的光固化苯基有机硅树脂。

5.根据权利要求1所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的透光层A或者透光层B为普通光学玻璃或者具有韧性的透明有机材料。

6.根据权利要求5所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的具有韧性的透明有机材料为聚碳酸酯类板材。

7.根据权利要求1所述的一种易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的蓝宝石层为导膜法生长蓝宝石晶体，其厚度为5～50mm；透光层A的厚度为0.2～10mm；透光层B的厚度为1～10mm；有机填充层的厚度2～20mm。

8.一种权利要求1所述的易于加工的夹层结构单晶蓝宝石防弹玻璃的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）准备透光材料和蓝宝石单晶板材；

（2）在蓝宝石层的两侧设置由透光材料制成的透光层A和透光层B，蓝宝石层与透光层A和/或透光层B组成的夹层内注入有机填充物质，通过紫外线照射后，使有机填充物质与蓝宝石层表面无缝紧密贴合；如蓝宝石层与透光层A或透光层B无夹层结构，则将透光层A或透光层B贴合于单晶蓝宝石层的一侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在透光层A或透光层B上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温即可。