CN106323093B - 一种复合结构防弹板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合结构防弹板及其制备方法，属于装甲防护领域。所述复合结构防弹板主要包括陶瓷层、纤维材料叠层、金属层和背板。整体连接关系为：金属板于背板的表面无缝拼装，形成金属层，纤维材料叠层平铺在金属层表面，陶瓷片在纤维材料叠层表面无缝拼装，形成陶瓷层，各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结。纤维材料叠层由多层纤维材料单层叠在一起形成的，纤维材料单层若有明确的纤维取向，则相邻纤维材料单层的纤维方向相互垂直。该复合结构防弹板有较强的抗多发弹打击能力，通过使用大量陶瓷与纤维材料减轻了自重与厚度，在同等防弹水平下相对轻便，可以广泛应用于轻质防弹装甲领域并起到有效保护。

Description

一种复合结构防弹板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合结构防弹板及其制备方法，属于装甲防护领域。
背景技术
装甲防护技术水平在很大程度上决定了武器装备系统的生存能力，性能优良的装甲防护系统能够有效保障各类装备与人员的安全。而防弹结构是装甲防护的关键技术，装甲结构的设计与材料极大地影响着防护系统的最终防护能力。
复合装甲是由两种或以上不同抗弹性能的防护材料按一定比例经粘结或者压力加工等工艺组成的非均质装甲，能有效整合不同材料的物理特性，以其不同层之间性能差异来干扰弹丸的侵彻能力，提高总体抗弹性能。
复合装甲可以分为金属与非金属复合装甲、金属与金属复合装甲和间隔装甲(层间带有间隙或间隔的两层或多层装甲)。随着科技水平的不断提高，防弹板由最初的防弹金属板发展到复合材料防弹板，得到了广泛的应用。
金属与陶瓷的复合装甲结合了两种材料的特性，表现出优异的抗弹性能。弹靶作用过程中，高硬度的陶瓷能有效地磨蚀弹丸，但作为脆性材料陶瓷板在弹体的冲击下产生的破碎和飞溅将使装甲的抗弹性能大幅降低。而破碎的陶瓷材料在受压情况下能表现出相当的强度，且随着压力的增加，其强度上升。因此，金属背板对陶瓷材料起到了支撑与施加约束的作用，使弹丸在陶瓷内的驻留时间增加，同时金属背板自身也能通过塑性变形吸收陶瓷和弹丸碎片的剩余量，能提高其抗弹性能。
目前，传统的层叠式陶瓷金属复合装甲通常以整块金属作为背板，与陶瓷块拼装所得的面板间以胶黏剂粘结。因粘结强度有限，在抵抗子弹侵彻时，该结构对第一发射击有优良的抗弹能力，但子弹的动能会破坏受打击区域粘结层的结构稳定，使层与层之间分离甚至崩落，严重削弱后续的抗弹性能。所以，传统的陶瓷金属复合装甲在抗多发弹打击方面的表现并不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合结构防弹板，该复合结构防弹板具有优良的抗冲击性能，解决了弹丸冲击使金属与陶瓷之间的粘结层失稳及陶瓷面板大面积破碎、脱落的问题，具有较强的抗多发弹打击能力。本发明的目的之二在于提供一种复合结构防弹板的制备方法。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种复合结构防弹板，所述复合结构防弹板主要包括金属层、纤维材料叠层、陶瓷层和背板。
其中，金属板于背板的表面无缝拼装，形成金属层；纤维材料叠层平铺在金属层表面；陶瓷片在纤维材料叠层表面无缝拼装，形成陶瓷层；各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结。
所述陶瓷层由陶瓷片拼装而成，厚度为3-25mm；
所述金属层由多块金属板拼装而成，厚度为1-15mm；
所述背板的延伸率在5％以上，厚度为1-15mm；
所述纤维材料叠层是由纤维材料层叠在一起形成的，各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结，总厚度为0.1-3.0mm，纤维材料单层若有明确的纤维取向时，相邻纤维材料单层的纤维方向相互垂直；
优选的，所述陶瓷片的材质为Al2O3、SiC、B4C、BN或Si3N4；
优选的，所述金属板为钛合金或钢铁材料。
优选的，所述背板为芳纶板或聚乙烯(PE)板。
优选的，所述纤维材料为芳纶单向布(芳纶UD布)、织物材料和超高分子量聚乙烯纤维带材料中的一种以上；
优选的，所述热固性胶黏剂为环氧树脂胶黏剂、改性环氧树脂胶黏剂或聚氨酯胶黏剂；热塑性胶黏剂为聚醋酸乙烯胶黏剂、聚醋酸乙烯共聚物胶黏剂或聚乙烯醇缩醛胶黏剂；
优选的，所述金属板和陶瓷片为六边形、五边形或正方形。
一种本发明所述复合结构防弹板的制备方法，具体步骤如下：
(1)对陶瓷片、金属板和背板进行喷砂处理达到不反光即可，以利于后续的粘接；将金属板置于涂好胶黏剂的背板表面，紧密拼合成平整，形成金属层；
(2)在金属层的表面涂胶黏剂，之后在其表面依次平铺纤维材料单层并涂胶黏剂，形成纤维材料叠层，当纤维材料单层有明确的纤维取向时，相邻纤维材料单层的纤维方向相互垂直；
(3)将陶瓷片置于涂好胶黏剂的纤维材料叠层上，使陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合防弹板胚体压合紧密后，将胚体置于0.1-5MPa，20℃-150℃下，压制10min-3h，得到所述复合结构防弹板。
优选的，喷砂工艺为：首先将金属板与陶瓷片用清水或喷气枪将表面清理干净，而后采用压送式喷砂机，使用粒度为150目的铝矾土细沙，在0.6～1MPa的喷枪气压下均匀吹扫表面，持续时间20～30s。对金属板来说，应使其表面呈现亚光状。
优选的，复合结构防弹胚体压制采用真空热压法实现；
优选的，所述真空热压法为：将所述复合结构防弹胚体置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空后至≤2KPa，然后通入氮气在50min内加压至1-3MPa，同时升温至55-80℃，保温保压10min-2h；最后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
有益效果
1.本发明所述复合结构防弹板具有较强的抗多发弹打击能力，原因在于：首先，在抵抗子弹侵彻(主要是指弹头钻入或穿透物体)时，各自独立的金属板会在陶瓷层被击穿后被已削弱的子弹冲击力向后推出，在背板的支撑下随子弹一起逐渐脱离整个金属层，并在这一过程中干扰、偏转子弹弹道，将子弹捕获；其次，各陶瓷片与金属板均为拼装连接，各自的独立性增强，单个陶瓷片与金属板在抵抗子弹侵彻时对周边结构的影响和破坏程度较小；最后，有良好塑性的背板能很好地吸收连续穿过陶瓷层与金属层后子弹的残余动能，使子弹最终驻留在防弹板内。
2.本发明所述复合结构防弹板通过使用大量陶瓷与纤维材料减轻了自重与厚度，在同等防弹水平下相对轻便，可以广泛应用于轻质防弹装甲领域并起到有效保护。
附图说明
图1为本发明所述复合结构防弹板的结构示意图。
图2为实施例1和实施例2中所述陶瓷片的空间三维示意图。
图3为实施例1和实施例2中所述金属板的空间三维示意图。
其中，1-金属层，2-纤维材料叠层，3-陶瓷层，4-背板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
以下实施例中所用真空热压罐为山东中航泰达复合材料股份有限公司制备的规格为直径1米，长度1.6米的真空热压罐。
芳纶板为中富碳纤维制品有限公司所产的芳纶纤维板。
超高分子量聚乙烯板为德州固德橡塑有限公司产的超高分子量聚乙烯板。
聚氨酯胶黏剂为世林胶业所产聚氨酯变形环氧树脂胶黏剂。
聚乙烯醇缩醛热塑胶为天津华昌原化贸易有限公司生产。
以下实施例及对比实施例中采用的喷砂处理工艺为：首先将金属板与陶瓷片用清水或喷气枪将表面清理干净，而后采用压送式喷砂机，使用粒度为150目的铝矾土细沙，在0.8MPa的喷枪气压下均匀吹扫表面，持续时间25s。对金属板来说，应使其表面呈现亚光状。
实施例1
一种复合结构防弹板，该复合结构防弹板主要包括金属层1、纤维材料叠层2、陶瓷层3和背板4，如图1所示。
所述复合结构防弹板整体连接关系为：所述金属板于背板4的表面无缝拼装，形成金属层1；所述纤维材料叠层2平铺在金属层1表面；所述陶瓷片在纤维材料叠层2表面无缝拼装，形成陶瓷层3，上述各层之间通过热固性胶黏剂粘结。
其中，所述陶瓷层3由陶瓷片拼装而成，陶瓷片为正六边形的Al2O3陶瓷片，边长为17mm，厚度为10mm，如图2所示。
所述金属层1由金属板拼装而成，金属板为正四边形的TC4钛合金，边长为100mm，厚度为5mm，如图3所示。
所述纤维材料叠层2由四层芳纶UD布交替层叠得到，各层之间通过热固性胶黏剂粘结，且相邻芳纶UD布中的纤维方向互相垂直，叠层厚度为0.15mm。
所述背板4为正四边形芳纶板，边长为310mm，厚度为1mm。
所述热固性胶黏剂为聚氨酯胶黏剂。
一种所述复合结构防弹板的制备方法，具体步骤如下：
(1)对Al2O3陶瓷片和TC4钛合金板进行喷砂处理，将TC4钛合金板置于涂好聚氨酯胶黏剂的芳纶板表面，紧密拼合成正四边形平面，形成金属层1；
(2)在金属层1的表面涂聚氨酯胶黏剂，之后在其表面依次平铺芳纶UD布并涂聚氨酯胶黏剂，共铺四层芳纶UD布，相邻芳纶UD布的纤维方向互相垂直，形成纤维材料叠层2；
(3)将Al2O3陶瓷片置于涂好聚氨酯胶黏剂的纤维材料叠层2上，使Al2O3陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层3，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合结构防弹板胚体压合紧密后置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空至2KPa，然后通入氮气在50min内加压至1MPa，同时升温至55℃，保温保压10min；然后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
得到所述复合结构防弹板后，在100m射距，弹速810～840m/s的条件下进行了抗7.62mm穿甲燃烧弹射击的靶试实验。结果所述复合结构防弹板成功防护了2发子弹的打击，背板仅有轻微凸起，随后被第3发子弹击穿。
实施例2
一种复合结构防弹板，该复合结构防弹板主要包括金属层1、纤维材料叠层2、陶瓷层3和背板4，如图1所示。
所述复合结构防弹板整体连接关系为：所述金属板于背板4的表面无缝拼装，形成金属层1；所述纤维材料叠层2平铺在金属层1表面；所述陶瓷片在纤维材料叠层2表面无缝拼装，形成陶瓷层3，上述各层之间通过热固性胶黏剂粘结。
其中，所述陶瓷层3由陶瓷片拼装而成，陶瓷片为正六边形的Al2O3陶瓷片，边长为17mm，厚度为6mm，如图2所示。
所述金属层1由金属板拼装而成，金属板为正四边形的TC4钛合金，边长为100mm，厚度为6mm，如图3所示。
所述纤维材料叠层2由四层芳纶UD布交替层叠得到，各层之间通过热固性胶黏剂粘结，且相邻芳纶UD布中的纤维方向互相垂直，叠层厚度为0.15mm。
所述背板4为正四边形芳纶板，边长为310mm，厚度为3mm。
所述热固性胶黏剂为聚氨酯胶黏剂。
一种所述复合结构防弹板的制备方法，具体步骤如下：
(1)对Al2O3陶瓷片和TC4钛合金板进行喷砂处理，将TC4钛合金板置于涂好聚氨酯胶黏剂的芳纶板表面，紧密拼合成正四边形平面，形成金属层1；
(2)在金属层1的表面涂聚氨酯胶黏剂，之后在其表面依次平铺芳纶UD布并涂聚氨酯胶黏剂，共铺四层芳纶UD布，相邻芳纶UD布的纤维方向互相垂直，形成纤维材料叠层2；
(3)将Al2O3陶瓷片置于涂好聚氨酯胶黏剂的纤维材料叠层2上，使Al2O3陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层3，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合结构防弹板胚体压合紧密后置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空至2KPa，然后通入氮气在50min内加压至1MPa，同时升温至55℃，保温保压10min；然后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
得到所述复合结构防弹板后，在100m射距，弹速810～840m/s的条件下进行了抗7.62mm穿甲燃烧弹射击的靶试实验。结果所述复合结构防弹板成功防护了5发子弹的打击，背板仅有轻微凸起，随后被第6发子弹击穿。
实施例3
一种复合结构防弹板，该复合结构防弹板主要包括金属1层、纤维材料叠层2、陶瓷层3和背板4，如图1所示。
所述复合结构防弹板整体连接关系为：所述金属板于背板4的表面无缝拼装，形成金属层1；所述纤维材料叠层2平铺在金属层1表面；所述陶瓷片在纤维材料叠层2表面无缝拼装，形成陶瓷层3，上述各层之间通过热塑性胶黏剂粘结。
其中，所述陶瓷层3由陶瓷片拼装而成，陶瓷片为正六边形的SiC，边长为17mm，厚度为3mm，如图2所示。
所述金属层1由金属板拼装而成，金属板为正四边形的45号钢板，边长为100mm，厚度为1mm，如图3所示。
所述纤维材料叠层2由四层芳纶UD布交替层叠得到，各层之间通过热塑性胶黏剂粘结，且相邻芳纶UD布中的纤维方向互相垂直，叠层厚度为0.1mm。
所述背板4为正四边形超高分子量聚乙烯板，边长为310mm，厚度为15mm。
所述热塑性胶黏剂为聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂。
一种所述复合结构防弹板的制备方法，具体步骤如下：
(1)对SiC陶瓷片和45号钢板进行喷砂处理，将45号钢板置于涂好聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂的超高分子量聚乙烯板表面，紧密拼合成正四边形平面，形成金属层1；
(2)在金属层1的表面涂聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂，之后在其表面依次平铺芳纶UD布并涂聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂，共铺四层芳纶UD布，相邻芳纶UD布的纤维方向互相垂直，形成纤维材料叠层2；
(3)将SiC陶瓷片置于涂好聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂的纤维材料叠层2上，使SiC陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层3，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合结构防弹板胚体压合紧密后置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空至2KPa，然后通入氮气在50min内加压至3MPa，同时升温至80℃，保温保压2h；然后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
得到所述复合结构防弹板后，在100m射距，弹速810～840m/s的条件下进行了抗7.62mm穿甲燃烧弹射击的靶试实验。结果所述复合结构防弹板成功防护1发子弹，被第2发子弹击穿。
实施例4
一种复合结构防弹板，该复合结构防弹板主要包括金属层1、纤维材料叠层2、陶瓷层3和背板4，如图1所示。
所述复合结构防弹板整体连接关系为：所述金属板于背板4的表面无缝拼装，形成金属层1；所述纤维材料叠层2平铺在金属层1表面；所述陶瓷片在纤维材料叠层2表面无缝拼装，形成陶瓷层3，上述各层之间通过热塑性胶黏剂粘结。
其中，所述陶瓷层3由陶瓷片拼装而成，陶瓷片为正六边形的Al2O3陶瓷片，边长为17mm，厚度为25mm，如图2所示。
所述金属层1由金属板拼装而成，金属板为正四边形的45号钢板，边长为100mm，厚度为15mm，如图3所示。
所述纤维材料叠层2由四层芳纶UD布交替层叠得到，各层之间通过热塑性胶黏剂粘结，且相邻芳纶UD布中的纤维方向互相垂直，叠层厚度为3mm。
所述背板4为正四边形芳纶板，边长为310mm，厚度为15mm。
所述热塑性胶黏剂为聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂。
一种所述复合结构防弹板的制备方法，具体步骤如下：
(1)对Al2O3陶瓷片和45号钢板进行喷砂处理，将45号钢板置于涂好聚乙烯醇缩醛热塑胶黏剂的芳纶板表面，紧密拼合成正四边形平面，形成金属层1；
(2)在金属层的表面涂聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂，之后在其表面依次平铺芳纶UD布并涂聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂，共铺四层芳纶UD布，相邻芳纶UD布的纤维方向互相垂直，形成纤维材料叠层2；
(3)将Al2O3陶瓷片置于涂好聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂的纤维材料叠层2上，使Al2O3陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层3，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合结构防弹板胚体压合紧密后置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空至2KPa，然后通入氮气在50min内加压至2MPa，同时升温至70℃，保温保压1h；然后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
得到所述复合结构防弹板后，在100m射距，弹速810～840m/s的条件下进行了抗7.62mm穿甲燃烧弹射击的靶试实验。结果所述复合结构防弹板成功防护了13发子弹的打击，背板仅有轻微凸起，随后被第14发子弹击穿。
对比实施例
作为对比，一种金属与陶瓷的复合结构防弹板。所述复合结构防弹板由金属板、陶瓷层和纤维材料叠层依次层叠后热压形成；其中，所述陶瓷层由陶瓷片拼装而成；所述纤维材料叠层由玻璃纤维交替叠层得到，且相邻的玻璃纤维之间的纤维方向互相垂直，相邻两层玻璃纤维之间通过聚氨酯胶黏剂粘结；
所述陶瓷片为六边形的Al2O3陶瓷片，所述陶瓷片的边长为17mm，厚度为6mm，如图2所示；
所述金属板的材质为7mm轧制TC4钛合金，如图3所示；
所述陶瓷片在金属板上无缝拼接成完整表面。
所述陶瓷片采用热压方法制备。
所述金属板、陶瓷层和纤维材料叠层的厚度分别为：7mm、6mm和0.6mm。
进一步的，所述热压的工艺过程如下：
(1)对异形陶瓷片和金属板进行喷砂处理；在金属板表面涂聚氨酯胶黏剂，将陶瓷片粘结在金属板上，压合以保证紧密贴合并拼合成平面，形成陶瓷层；
(2)在陶瓷层的表面涂上聚氨酯胶黏剂后铺放一层纤维；再在所述纤维表面涂聚氨酯胶黏剂后铺放一层纤维，得到复合结构防弹板胚体；其中，两层纤维的纤维方向相互垂直。
(3)将所述复合结构防弹板胚体压合紧密后置于聚四氟乙烯板上，置于普通热压炉内热压，缓慢通入氮气加压至1MPa，然后以2.5℃/min的升温速率升温至120℃，保温2小时，保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
得到所述复合结构防弹板后，在100m射距，弹速810～840m/s的条件下进行了抗7.62mm穿甲燃烧弹射击的靶试实验。结果所述复合结构防弹板在成功防护了第1发子弹的打击后被第2发子弹击穿。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合结构防弹板，其特征在于：所述复合结构防弹板主要包括金属层(1)、纤维材料叠层(2)、陶瓷层(3)和背板(4)；
其中，金属板于背板(4)的表面无缝拼装，形成金属层(1)；纤维材料叠层(2)平铺在金属层(1)表面；陶瓷片在纤维材料叠层(2)表面无缝拼装，形成陶瓷层(3)；各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结；
所述陶瓷层(3)由陶瓷片拼装而成，厚度为3-25mm；
所述金属层(1)由多块金属板拼装而成，厚度为1-15mm；
所述背板(4)的延伸率在5％以上，厚度为1-15mm；
所述纤维材料叠层(2)是由纤维材料单层叠在一起形成的，各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结，总厚度为0.1-3.0mm，纤维材料单层有明确的纤维取向时，相邻纤维材料单层的纤维方向相互垂直。
2.如权利要求1所述的一种复合结构防弹板，其特征在于：所述纤维材料为芳纶UD布、织物材料和超高分子量聚乙烯纤维带材料中的一种以上。
3.如权利要求1所述的一种复合结构防弹板，其特征在于：所述热固性胶黏剂为环氧树脂胶黏剂、改性环氧树脂胶黏剂或聚氨酯胶黏剂；热塑性胶黏剂为聚醋酸乙烯胶黏剂、聚醋酸乙烯共聚物胶黏剂或聚乙烯醇缩醛胶黏剂。
4.如权利要求1所述的一种复合结构防弹板，其特征在于：所述陶瓷片的材质为Al2O3、SiC、B4C、BN或Si3N4。
5.如权利要求1所述的一种复合结构防弹板，其特征在于：所述金属板和陶瓷片为六边形、五边形或正方形。
6.一种如权利要求1～5中任一项所述的复合结构防弹板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)对陶瓷片、金属板和背板(4)进行喷砂处理；将金属板置于涂好胶黏剂的背板(4)表面，紧密拼合成平整，形成金属层(1)；
(2)在金属层(1)的表面涂胶黏剂，之后在其表面依次平铺纤维材料单层并涂胶黏剂，形成纤维材料叠层(2)，当纤维材料单层有明确的纤维取向时，相邻纤维材料单层的纤维方向相互垂直；
(3)将陶瓷片置于涂好胶黏剂的纤维材料叠层(2)上，使陶瓷片紧密拼合，形成陶瓷层(3)，得到复合结构防弹板胚体；
(4)将所述复合防弹板胚体压合紧密后，将胚体置于0.1-5MPa，20-150℃下，压制10min-3h，得到所述复合结构防弹板。
7.如权利要求6所述的一种复合结构防弹板的制备方法，其特征在于：所述喷砂处理为：首先将金属板与陶瓷片用清水或喷气枪将表面清理干净，而后采用压送式喷砂机，使用粒度为150目的铝矾土细沙，在0.6～1MPa的喷枪气压下均匀吹扫表面，持续时间20～30s，对金属板来说，应使其表面呈现亚光状。
8.如权利要求6所述的一种复合结构防弹板的制备方法，其特征在于：所述方法中复合结构防弹胚体压制采用真空热压法实现。
9.如权利要求8所述的一种复合结构防弹板的制备方法，其特征在于：所述真空热压法为：将所述复合结构防弹胚体置于真空热压罐配套的真空袋内，将真空袋置于真空罐内，连接真空阀门，连接热电偶，并用真空胶将开口密封；抽真空后至≤2KPa，然后通入氮气在50min内加压至1-3MPa，同时升温至55-80℃，保温保压10min-2h；最后保压冷却至室温后卸压，得到所述复合结构防弹板。
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