CN107990783A - 一种球形体内置复合结构防弹装甲材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形体内置复合结构防弹装甲材料，由球形实体和基体材料组成，通过球形实体拼接成网状板层，将熔融的基体材料浇注在球形实体间，固化后得到球形体内置的复合结构防弹装甲材料；所述球形实体为钢质或陶瓷质球体；所述基体材料为高分子聚合物、铝合金、镁合金或橡胶。本发明由于采用球形体内置复合结构，制得的防弹装甲材料具有轻量化、高强度和强韧性等优点，可用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板，还可用于制造装甲板；本发明球形体内置的复合结构防弹装甲材料的制备方法简单、成本低廉，有利于规模化生产。

Description

一种球形体内置复合结构防弹装甲材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料加工技术领域，具体涉及一种球形体内置复合结构防弹装甲材料及其制备方法。
背景技术
美国自上世纪70年代开始研制新一代的陶瓷复合材料，其中以氧化铝(Al2O3)/高性能聚乙烯纤维、碳化硼(B4C)/芳纶复合材料为代表，这些复合材料具有抗弹性能好，生产工艺简便和减重效果明显的特点，而且没有“跳弹”现象，广泛应用于特殊环境下的个体防护。国内防弹装甲材料的研究起步于上世纪90年代，总后军需所、北京航空航天大学、第五三研究所等单位分别进行了研究，涉及芳纶复合材料装甲板、头盔多种产品，进入2000年后，国内已有多家工厂具有陶瓷插板的生产能力，陆续推出了高性价比的陶瓷/芳纶复合插板、陶瓷/高性能聚乙烯纤维复合插板，产品主要销往国外，应用于人体防护，防弹陶瓷插板因其性价比高，成为军用、民用的首选装备。
通过对常见陶瓷插板的结构、使用方法的分析以及防弹机理的研究，人们对陶瓷插板等防弹复合板应有一个理性认识，目前防弹陶瓷插板仍然存在重量过重的缺陷，增加了实际的负荷，降低了实战中的灵活性；当高速弹头击中陶瓷板时，陶瓷板容易分裂成很多碎片，导致一整块材料的破碎、脱落，增大了未防弹面积，造成失效。现有的一般防弹盾牌不能抵挡95式步枪子弹的侵彻，其原因主要为：一方面陶瓷层表面不是大曲率表面，不足以导致子弹的偏航及子弹锥头的折断；另一方面是由于准对称的弹体锥头挤压使得靶板的拦截面积不够，导致不能有效消耗子弹的侵彻能量。
CN 106626661A公开了一种复合结构的软质防弹材料及其制备方法，包括X结构织物、热塑性树脂膜和UD结构织物，X结构织物采用高性能纤维制作并且采用纺织加工技术制作，热塑性树脂膜通过热压成型技术压合在X结构织物上，热塑性树脂膜位于X结构织物和UD结构织物之间。所述复合结构的软质防弹材料结构简单，重量轻，舒适性好，但是对高速弹头防护效果不好，不能用于防护重型武器，而且不适用于装甲材料。
CN 104949581A公开了一种陶瓷复合材料防弹胸插板及其制备方法，由碳纤维复合表面刚性层、陶瓷复合材料片组合层、防弹纤维复合材料主体层、背弹面碳纤维复合防背凸层四部分组成，其中陶瓷复合材料片层采用特种纤维增强陶瓷基体材料，同时采用针刺插入式组合结构或三维防碎裂框架结构设计，陶瓷复合材料层与主体防弹层之间采用复合胶接与微孔铆接结合技术，最终陶瓷复合材料组合片层和纤维复合材料防弹主体层包裹在碳纤维复合表面刚性层与防背凸层组成的刚性结构中形成整体。该陶瓷复合材料防弹胸插板，具有轻质、低背凸、高低温结构稳定、使用寿命长等多种优势，但是其制备方法复杂，生产成本较高，对重型武器的防护效果不好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻量化、高强度和工艺简单的球形体内置复合结构防弹装甲材料及其制备方法。
本发明提供一种球形体内置复合结构防弹装甲材料，由球形实体和基体材料组成，通过球形实体拼接成网状板层，将熔融的基体材料浇注在球形实体间，固化后得到球形体内置的复合结构防弹装甲材料。
所述球形实体为钢质或陶瓷质球体；
所述基体材料为高分子聚合物、铝合金、镁合金或橡胶；
所述钢质或陶瓷质球体的直径为3～10mm。
作为同一个发明构思，本发明还提供了这种球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据板形的需求，设计相应的模具；
(2)选用尺寸不同的钢质或陶瓷质球体在模具腔中拼接成网状板层；
(3)将熔融的基体材料注入模具中的球形实体间，固化后得到球形体内置的复合结构防弹装甲材料。
所述步骤(1)中板形为平板或曲面板；所述磨具是由耐热模具钢制备。
所述步骤(2)中钢质球体为高强高韧钢珠，高强高韧钢珠的表面经氮化处理，以提高其硬度。
所述步骤(2)中陶瓷质球体为氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、硼化钛(TiB2)中的一种或一种以上。
所述步骤(3)中球形体内置的复合结构防弹装甲材料为刚性板材或柔性板材，厚度为3～30mm。
所述复合结构防弹装甲材料为刚性板材，基体材料为高分子聚合物，固化温度为200～300℃。
所述复合结构防弹装甲材料为刚性板材，基体材料为为铝合金或镁合金，固化温度为600～700℃。
所述复合结构防弹装甲材料为柔性板材，基体材料为橡胶材料，固化温度为150～190℃。
本发明的原理：从陶瓷板结构上来说，基于防弹机理的分析，曲面形状的抗弹性能优于平面的，嵌镶或搭接的小片优于单块大片，薄片叠层的优于同等厚度整片的。平面陶瓷板受弹体侵彻，承受的是准对称侵彻，对弹头的横向力小，不利于弹道的偏航及对弹轴形成弯矩，而这个弯矩的存在对能量吸收以及对弹头破损是非常重要的，一方面将弹头动能转化为转动能，另一方面弯矩引起的拉应力可使弹头尖锥折断，增大后续纤维板的有效防护面积，基于这样的分析，将高强高韧钢或者陶瓷加工成球体，然后将球体固化成网状板面，就可实现弹体的任意侵彻都是斜侵彻，达到防弹的优化效果。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
(1)本发明由于采用球形体内置复合结构，制得的防弹装甲材料具有轻量化、高强度和强韧性等优点，可用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板，还可用于制造装甲板。
(2)本发明球形体内置的复合结构防弹装甲材料的制备方法简单、成本低廉，有利于规模化生产。
附图说明
图1为实施例1中球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法示意图。
图2为实施例1所得球形体内置复合结构防弹装甲材料的结构示意图。
图3为实施例2所得球形体内置复合结构防弹装甲材料的结构示意图。
图4为实施例3所得的头盔曲面板结构示意图。
图5为应用例1中球形体内置复合结构防弹装甲材料板材构成的三层复合防弹板结构示意图。
图6为95步枪弹钨钢穿甲锥头破损的照片。
图7为95式步枪弹结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明一种球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)球形体内置复合结构防弹装甲材料为平板形，然后利用耐热模具钢制作其模具；
(2)选用直径为3～5mm的陶瓷质(SiC或B4C)球体在模具腔中拼接成网状平板层；
(3)将熔融的高分子聚合物注入模具中的球形实体间，在250℃左右下固化，得到刚性的球形体内置复合结构防弹装甲材料板材，厚度为5mm，具体结构如图2所示，得到球形体内置复合结构防弹装甲材料板材。
实施例2
本发明一种球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)球形体内置复合结构防弹装甲材料板材为曲面板，然后利用耐热模具钢制作其模具；
(2)选用直径为3～10mm的陶瓷质(Al2O3或TiB2)球体在模具腔中拼接成网状板层；
(3)将熔融的橡胶注入模具中的球形实体间，在150℃下固化，得到柔性的球形体内置复合结构防弹装甲材料，厚度为30mm，具体结构如图3所示。
实施例3
本发明一种球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)球形体内置复合结构防弹装甲材料板材为头盔曲面板结构，然后利用耐热模具钢制作其模具；
(2)选用直径为2～3.5mm的高强高韧钢珠在模具腔中拼接成网状板层；
(3)将熔融的镁合金注入模具中的球形实体间，在600℃下固化，得到刚性的头盔曲面板结构的内夹层，厚度为3.5mm，具体结构如图4所示，不仅可减轻头盔的重量，而且防弹性能也更好，这是由结构引起的防弹是斜侵彻的优势确定的。
应用例1
球形体内置复合结构防弹装甲材料板材单独使用时，不能很好完成防弹效能，故通常以球形体内置复合结构防弹装甲材料板材作内夹层，利用其高硬度、高抗压强度以破碎弹丸或使弹头严重变形，表层为轻质面板，具体为PDCPD塑料板，夹层为本发明板，超高分子聚乙烯PE作为背板，靠其塑性和韧性产生变形以吸收弹丸能量，图5为由球形体内置复合结构防弹装甲材料构成的三层复合板结构示意图。
将上述球形体内置复合结构防弹装甲材料构成的三层复合防弹板应用于打靶试验，验证该复合防弹板的防弹效果。在打靶试验中，弹体侵彻过程中，弹道发生偏航，弹体尖锥被折断，图6为95步枪弹钨钢穿甲锥头破损的照片，图7为95式步枪弹结构示意图。由此可见，将高强高韧钢或者陶瓷加工成球体，然后将球体固化成网状板面，就可实现弹体的任意侵彻都是斜侵彻，达到防弹的优化效果。

Claims (10)

1.一种球形体内置复合结构防弹装甲材料，由球形实体和基体材料组成，通过球形实体拼接成网状板层，将熔融的基体材料浇注在球形实体间，固化后得到球形体内置的复合结构防弹装甲材料。
2.根据权利要求1所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料，其特征在于，所述球形实体为钢质或陶瓷质球体；所述基体材料为高分子聚合物、铝合金、镁合金或橡胶；所述钢质或陶瓷质球体的直径为3～10mm。
3.一种球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据板形的需求，设计相应的模具；
(2)选用尺寸不同的钢质或陶瓷质球体在模具腔中拼接成网状板层；
(3)将熔融的基体材料注入模具中的球形实体间，固化后得到球形体内置的复合结构防弹装甲材料。
4.根据权利要求3所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中板形为平板或曲面板；所述磨具是由耐热模具钢制备。
5.根据权利要求3所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中钢质球体为高强高韧钢珠，高强高韧钢珠的表面经氮化处理。
6.根据权利要求3所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中陶瓷质球体为氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、硼化钛(TiB2)中的一种或一种以上。
7.根据权利要求3所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中球形体内置的复合结构防弹装甲材料为刚性板材或柔性板材，厚度为3～30mm。
8.根据权利要求7所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述复合结构防弹装甲材料为刚性板材，基体材料为高分子聚合物，固化温度为200～300℃。
9.根据权利要求7所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述复合结构防弹装甲材料为刚性板材，基体材料为为铝合金或镁合金，固化温度为600～700℃。
10.根据权利要求7所述的球形体内置复合结构防弹装甲材料的制备方法，其特征在于，所述复合结构防弹装甲材料为柔性板材，基体材料为橡胶材料，固化温度为150～190℃。
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