CN105531561A - 具有包括多个刚性元件的多层结构的弹道防护件 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的用于个人防护的弹道结构包括彼此分离的多个刚性结构，其中至少一个刚性元件通过由以平行和单向方式排列的高分子量聚乙烯带条所制成的叶片的分层来形成，其中这些叶片交叉层叠并且在高温下被压制，粘合剂聚合物被敷设在单个叶片的至少一个面上，并且在其中至少另一个刚性元件通过单向树脂浸渍的纱线的分层来形成，其中，单向纱线的每一层与后续的一层相交叉。这样的分层在高压和高温下被压制。在优选实施例中，第一个受到子弹冲击的刚性结构由刚性元件制成，该刚性元件由超高分子量聚乙烯纱线组成。通过子弹冲击所获得的创伤的值相对于相同重量的单片分层被相当地减少了。

Description

具有包括多个刚性元件的多层结构的弹道防护件
技术领域
本发明涉及用于制造弹道防护件(ballisticprotection)的结构，特别是结合分离的刚性元件的多层结构。
背景
在弹道防护领域中存在阻止子弹从枪中被射出的已知的织物结构；它们主要由具有高断裂强度的纤维和织物结构制成，各织物结构包括，例如：纬线和经线的织物、单向织物、多轴向织物等。这些结构可以被用于根据要被阻止的子弹的类型来制造刚性或柔性弹道防护件。
非常重要的是弹道结构针对保护人们不仅阻止子弹，而且同样重要的是，子弹冲击(以及随后的从其导致的变形)没有对穿用者造成创伤的值：这样的创伤价值，当其超过容差阈值时，可能是致命的或在任何情况下，由于被人体吸收的高冲击而不允许穿用者对攻击作出及时地反应。
柔性结构主要被用于民用或准军事领域，用于针对由手枪射出的子弹的防护。这种子弹容易变形，并且因此，更容易被阻止，另外，相关的能量和速度一般低于约1500焦耳和500米/秒。
如果风险情形还包括针对从步枪中被射出的子弹的防护，这种难以变形并且具有甚至比4000焦耳更高的能量和比1000米/秒更高的速度，则这些柔性结构通常与一般较小的尺寸的刚性结构相关联。
这种复合结构显然是沉重的，并且不允许穿用者作出及时地反应。
根据在现在技术的状态中已知的解决方案，例如在F.lliCitterioSpA的国际专利申请WO2013/021401中所描述的，刚性部件(尽管尺寸较小)与具有更大尺寸的柔性部件的组合，允许高创伤但仍然达到可接受的值。
由于柔性部件的可能的消除，随后的创伤的不可接受的值应当通过引入附加的非弹道元件来进行补偿，然而这将增加重量。
尽管在较小的表面上仅使用防止主要风险的硬板，这已经是被广泛接受的趋势。
然而，虽然在柔性结构/刚性结构组合中该创伤由柔性结构来控制，在只有该刚性结构被使用时，从步枪射出的子弹引起的创伤广泛超过规定值。
因此，期望提供弹道结构，其能够确保高的耐刺穿和减小的变形(与所得的创伤)，但同时由于非弹道元件的消除而具有有限的重量。
本发明的目标
本发明的目标是克服与现有技术相关联的至少一些问题。
概要
本发明提供如在以下主张中阐述的方法以及系统。
根据本发明，提供弹道防护件，其包括彼此协作而不接合的多个分离的刚性元件，刚性元件中的每个包括多个高分子量聚合物层，其中，刚性元件中的至少一个的多个高分子量聚合物层的至少一部分包括以单向叶片的形式的高分子量聚乙烯带条或条带的层压体；该刚性元件中的至少一个的该多个高分子量聚合物层的至少一部分包括由高分子量聚乙烯纤维制成的树脂浸渍的纤维层压体；其特征在于：相对于入射子弹的方向的第一刚性元件的每单位表面面积的重量大于跟随第一刚刚性元件的刚性元件或多个刚性元件的每单位表面面积的重量；并且相对于入射子弹的方向的第一刚性元件的特定的弯曲模量的值小于跟随第一刚性元件的刚性元件或多个刚性元件的特定的弯曲模量。
在本发明的优选实施例中，刚性元件的每单位表面面积的重量从相对于入射子弹的方向的第一刚性元件开始减小。此外，有利的是，刚性元件的特定的弯曲模量的值从相对于入射子弹的方向的第一刚性元件开始增加。
根据本发明的弹道防护件具有这样的优点：如果在非单片结构中被引入的话，由从弹道的角度来看表现不佳的元件，诸如，例如由高分子量聚乙烯条带或带条制成的元件，所组成的结构，允许大幅度降低创伤的值，而不会危害阻止子弹的能力。用根据本发明的优选实施例的弹道防护件，由子弹的冲击引起的创伤的值相对于由子弹对于具有相同组成但单片的结构引起的创伤的值低至少20％。从弹道的角度来看表现较差的元件的使用，带来派生自由于在带条或条带的生产中更好的效率的与纱线的生产成本相比成本降低的另一个优点。
有利的是，包括由高分子量聚乙烯纤维制成的纤维层压体的刚性元件位于面对入射子弹的方向的一侧。
在优选实施例中，以单向叶片的形式的高分子量聚乙烯带条或条带的层压体以这样的方式被放置：一层单向叶片相对于下一层叶片倾斜约90°，并且单个层具有至少一个粘合剂覆盖的面。
根据优选实施例，为了获得必要的刚性，每个元件都单独在介于1和300Bar之间的压力下和在介于50℃和200℃之间的温度下被压制。
在优选实施例中，织物元件被全部或部分地浸渍有下列物质中的一种或多种：热塑性塑料、热固性、弹性、粘性或粘弹性聚合物。
任选地，弹道防护件包括至少一个陶瓷元件，同样地被集成在聚合结构中并且位于相对于入射子弹的方向的第一刚性元件的外侧和前面。
根据本发明的另一个方面，包括上述的弹道防护件的弹道防护制品被提供。
本发明允许弹道防护结构以高耐刺穿和减少的变形(与随后的创伤)但同时通过非弹道元件的消除而具有有限的重量来生产。
此外，根据本发明的防护元件实现创伤的减少，而不损害入射子弹的阻止能力，并且同时，允许防护重量和成本被降低。
附图简述
本发明的这些和其它优点、目的和特征将由本领域技术人员从下面的描述中并且从附图中，参考通过说明性示例的方式所描述的非限制性具体实施例更好地理解，并且因此被认为不限制其范围，在附图中：
图1是用于制造根据本发明的可能实施例的弹道防护件的结构的示意性垂直截面视图；
图2是用于制造根据可能的替代实施例的弹道防护件的结构的示意性垂直截面视图。
优选实施例的详述
被减少到它的基本形式并且参考附图中各图，根据本发明的用于个人防护的弹道防护件包括彼此分离的多个刚性结构，其中至少一个刚性元件包括通过由以平行和单向方式排列的高分子量聚乙烯带条所制成的叶片的分层，其中，这些叶片交叉层叠并且在高温下被压制，粘合剂聚合物被敷设在单个叶片的至少一个面上，并且其中至少另一个刚性元件包括单向的树脂浸渍的纱线的分层，其中，单向纱线的每一层与后续的一层相交叉并且经受温度和压力作用。在优选实施例中，第一个受到子弹冲击的刚性结构由刚性元件制成，该刚性元件由超高分子量聚乙烯纱线组成。由子弹冲击所获得的创伤的值相对于相同重量的单片分层被相当地减少了。
根据本发明的弹道防护件包括彼此分离、合作而不接合的至少两个刚性层。被放置为在入射子弹的方向上的第一个(即第一个受到子弹影响)的刚性元件的每单位表面面积的重量大于其它后续刚性元件或多个元件的每单位表面面积的重量；第一个受到子弹冲击的刚性元件的特定的弯曲模量值小于随后的刚性元件或多个元件的特定的弯曲模量。
在一个实施例中，弹道防护件包括至少两个分离的刚性元件，其中受到子弹冲击的第一元件的每单位表面面积的重量大于所有其它元件的特定的每单位表面面积的重量：跟随第一元件的元件的每单位表面面积的比重介于相对于第一元件的95％和5％之间。
图1表示根据本发明的实施例的弹道防护件，其包括第一刚性元件101和第二刚性元件103。包括三个刚性元件101、103和105的可能的替代实施例被表示在图2中(图2还示出将在下面被讨论的可选的陶瓷元件)。
优选地，跟随第一元件的刚性元件的每单位表面面积的重量介于相对于第一元件的每单位表面面积的重量的70％和20％之间。
因此，第一元件的厚度比所有其它元件的厚度高。
在包括三个分离的刚性单元的实施例中，第二刚性元件的每单位表面面积的重量介于第一元件的每单位表面面积的重量的95％至5％之间，优选地介于70％和20％之间；第三刚性元件的每单位表面面积的重量介于相对于第一刚性元件的重量的95％和5％之间。
举例来说，在具有三个刚性和分离元件的解决方案中，第一元件的每单位表面面积的重量为13kg/m2，第二元件的每单位表面面积的重量为3.5kg/m2并且第三元件的每单位表面面积的重量为2.5kg/m2。
在本发明的另一可能的实施例中，具有三个刚性和分离元件，第一元件的每单位表面面积的重量为13kg/m2，第二元件的每单位表面面积的重量为1.5kg/m2并且第三元件的每单位表面面积的重量为3.5kg/m2。
在优选的实施例中，第一个受到子弹冲击的刚性元件的特定的弯曲模量比后续元件或多个元件的特定的弯曲模量低至少10％。用这种组合，第一个受到子弹冲击的第一元件的较小的弯曲模量允许能量通过变形而被吸收，而后续各层的更高的弯曲模量控制所引起的变形，并且因此，控制相关的创伤。
在优选实施例中，特定的弯曲模量从第一元件开始增加直到最后一个元件。
基于纤维材料的刚性层压体的模量的典型值在50至150ksi的范围内，基于带条或板的层压体的特定的弯曲模量的典型值在200至400ksi的范围内。
在本发明的一个实施例中，第一刚性元件由织物元件形成，该织物元件由纱线制成，各纱线具有高于10g/den的抗拉强度、高于1％的破裂伸长率和高于40GPa的拉伸强度弹性模量。这样的第一刚性织物元件优选地包括UHMW聚乙烯纤维，诸如，例如，具有大于500000的分子量的或类型的纤维。在优选实施例中，分子量大于2000000(两百万)。这些纤维优选地浸渍有例如类型的热塑性弹性树脂，并且然后在例如0°/90°或+/-45°被层压以实现具有双向结构、交叉层叠的连续片材。这些层压体包括被称为例如HB50或的层压体。这些叶片中的一些还关于重量和质量进行混合，在一般地包含1和300Bar之间的压力下和优选地在处于50至200℃的范围内的温度下被叠加并且巩固。
这样的压制所导致的形式可以是平的，取决于具体需要而具有简单的弯曲或具有多个弯曲。
第一单片元件还可以包括部分基于超高分子量PE的纤维状层压体结合由自高分子量聚乙烯制成的带条或条带所制成的层压体，与由芳族聚酰胺(aramidic)、共聚芳族聚酰胺(co-polyaramidic)、聚苯并噁唑、诸如例如PBO、PBT、纤维的液晶纤维制成的层压体。
包括由高分子量PE制成的带条或条带的元件包括多个单向层压体层，然后用介于0°/90°和+/-45°之间的铺设角度而在压力和温度下被彼此压实。由于在至少一个表面上的粘合物质的存在，这些层可以通过施加热量和压力而彼此被压实。
例如，诸如由Teijin在的名称下生产的被单向铺设的这些带条或条带具有50/60μ的典型厚度、从20至26cN/dtex的抗拉强度、从1.5至2％的伸长率、高于1400g/dtex的模量和高于2000000的分子量。
这种层压体在处于50°至200℃的范围内的温度下并且在介于1和300Bar的压力下被压制。
同类产品也由在的名称下或由在的名称下被制造。
在可能的实施例中，出于对来自穿甲子弹特别是贯穿类型的增强子弹的穿孔的增加的防护的需要，用由具有60HRC硬度的钢或碳化钨基合金(例如7.62x51AP)制成的芯，一个或多个陶瓷或玻璃-陶瓷元件111可以被关联到上述结构(如在图2中所示)。
可以从例如碳化物氧化物或氮化物基陶瓷实现的所述陶瓷元件111可以是单片的或由并列的陶瓷子元件制成。在本发明的优选实施例中，至少一个陶瓷元件被嵌入聚合结构中。
这种陶瓷元件可以与第一刚性结构直接接触或由不连续的层(在图2中未示出)分开。
陶瓷元件一般地由附加的结构来保护，以便避免相同元件的尽可能多的碎片。
取决于背面变形的期望的性能并且根据子弹的能量，进一步的组合是可能的。
例如，在本发明的说明性的例子中已经参考了包括彼此分离的两个或三个刚性元件的刚性结构。这样的刚性元件中的第一个是由纤维材料制成(在所示的示例中)，而第二个和/或第三个是由高分子量聚乙烯带条或条带的层压体制成。
然而，其它实施例是可能的，其包括，例如，多于三个的元件。此外，第一元件(被转向子弹入射方向的一个)可以包括高分子量聚乙烯带条或条带的纤维层和层压体层，或仅高分子量聚乙烯带条或条带的层压体层。
在实践中，在任何情况下，实现的细节对于所描述和所示出的单个结构元件和对于所指示的材料性质的相应的方式可以有所不同，而不脱离所采用的解决方案的概念，并且因此，保持在本发明的范围之内。
应当理解的是，可以对上述做出改变和修改，而不脱离本发明的范围。自然地，为了满足特定的需求，本领域技术人员可以在上述的解决方案上应用许多修改和改变。特别是，尽管本公开内容已经以一定程度的精确度参照其优选实施例进行了描述，但是应当理解的是，在形式和细节中以及其它实施例中的可能的省略、替换和改变是可能的；此外，明确预期的是，结合本发明的任何公开的实施例所描述的制造方法的特定元件和/或步骤可以作为设计选择的一般实体被并入任何其它实施例。
例如，如果各组件具有不同的结构或包括等效单元的话，类似的考虑也适用。
示例和测试
已经利用已知的结构和由本发明提出的结构进行了比较测试，不仅用于评估创伤的值，而且也用于评估弹道限制。
所有测试已经根据美国的规则NIJ0101.04的III级完成。
比较示例1(现有技术的结构)
DyneemaHB50的78个层压体层已经为了已在200Bar下和在122℃下被压制，以便形成单片板。该板已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 841 18.1 60
比较示例2(现有技术的结构)
DyneemaHB50的56个层压体层和TensylonT30A的50层已经在200Bar下和122℃下被压在一起，以形成单片板。该板已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 840 18.3 64
比较示例3(现有技术的结构)
DyneemaHB50的48层和TensylonT30A的66层已经在200bar下和122℃下被压在一起，以形成单片板。该板已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 850 18.3 50
比较示例4(现有技术的结构)
DyneemaHB50的66个层压体层和TensylonT30A的48层已经在200Bar下和122℃下被压在一起，以便形成单片板。该板已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 848 18.3 55
比较示例5(现有技术的结构)
ENDUMAXSHIELDXF22的93层已经在55Bar下和129℃下被压在一起，以形成单片板。该板已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 848 18.7 48
示例6(根据本发明的实施例的结构)
DyneemaHB50的62层已经在200Bar下和122℃下被压在一起，以便形成第一板，
TensylonT30A的36层已经在95Bar下和122℃下被压在一起，以形成第二板。
这两个分离的板的组合已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值。
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 845 18.5 27
示例7(根据本发明的实施例的结构)
DyneemaHB50的56层已经在200Bar下和122℃下被压在一起，以形成第一板，
TensylonT30A的36层已经在95Bar下和122℃下被压在一起，以形成第二板，
TensylonT30A的18层已经在95Bar下和122℃下压在一起，以形成第三板。
这三个分离的板的组合已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值。
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 842 18.8 24
示例8(根据本发明的实施例的结构)
DyneemaHB50的60层已经在200Bar下和122℃下被压在一起，以形成第一板，
TensylonT30A的22层已经在95Bar下和122℃下被压在一起，以形成第二板，
TensylonT30A的11层已经被在95Bar下和122℃下被压在一起，以形成第三板。
这两个分离的板的组合已经过测试，以验证由子弹冲击引起的创伤的值。
子弹类型 速度 重量kg/m2 创伤mm
NATO 7.62X51 833 17.8 26
附加的测试已经使用NIJ0101.04规范被执行，以验证阻止能力(V50)对比NATO7.62X51类型的子弹，其结果如下：
比较示例2V50＝910米/秒。
比较示例3V50＝905米/秒。
示例6V50＝908米/秒。
示例8V50＝920米/秒。

Claims (15)

1.一种弹道防护件，包括彼此协作而不接合的多个分离的刚性元件，所述刚性元件中的每个包括多个高分子量聚合物层；其中，所述刚性元件中的至少一个的所述多个高分子量聚合物层中的至少一部分包括以单向叶片的形式的高分子量聚乙烯带条或条带的层压体；所述刚性元件中的至少一个的所述多个高分子量聚合物层的至少一部分包括由高分子量聚乙烯纤维制成的树脂浸渍的纤维层压体；
其特征在于：
-相对于入射子弹的方向的第一刚性元件的每单位表面面积的重量大于跟随所述第一刚性元件的刚性元件或多个刚性元件的每单位表面面积的重量；
-相对于所述入射子弹的方向的所述第一刚性元件的特定的弯曲模量的值小于跟随所述第一刚性元件的刚性元件或多个刚性元件的特定的弯曲模量。
2.根据权利要求1所述的弹道防护件，其中；
-所述刚性元件的每单位表面面积的重量相对于所述入射子弹的方向从所述第一刚性元件开始减小；
-所述刚性元件的特定的弯曲模量的值相对于所述入射子弹的方向从所述第一刚性元件开始增加。
3.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，所述第一刚性元件包括由浸渍有热塑性、热固性、弹性、粘性或粘弹性聚合物的高分子量聚乙烯纱线制成的纤维层压体。
4.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，所述第一刚性元件包括基于高分子量聚乙烯的带条或条带的层压体。
5.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，所述纤维层压体的纤维包括下列材料中的一种或多种：UHMW聚乙烯纤维、芳族聚酰胺、共聚芳族聚酰胺、同聚芳族聚酰胺、聚苯并噁唑、聚苯并三氮唑、液晶纤维。
6.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，以单向叶片的形式的高分子量聚乙烯带条或板的层压体以这样的方式被放置：一层所述单向叶片相对于下一层所述叶片倾斜约90°。
7.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，形成高分子量聚乙烯带条或条带的层压体的所述层具有至少一个粘合剂覆盖的面。
8.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，每个元件都单独在介于1Bar和300Bar之间的压力下和在处于50℃至200℃的范围内的温度下被压制。
9.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中一个刚性元件的每单位表面面积的重量被包括在介于在前的刚性元件的每单位表面面积的重量的95％和5％之间。
10.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中一个刚性元件的每单位表面面积的重量介于在前的刚性元件的每单位表面面积的重量的70％和20％之间。
11.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，一个刚性元件的特定的弯曲模量比在前的刚性元件的特定的弯曲模量高至少10％。
12.根据前述任一项权利要求所述的弹道防护件，包括彼此合作而不接合的三个分离的刚性元件。
13.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，包括也被嵌入位于相对于所述入射子弹方向的所述第一刚性元件的外侧和前面的增强聚合物结构中的至少一个陶瓷元件。
14.根据前述任一权利要求所述的弹道防护件，其中，制成所述高分子量聚乙烯带条或条带的材料是或或
15.一种弹道防护制品，包括根据前述任一权利要求所述的弹道防护件。
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