CN108050891B - 一种复合夹芯防弹结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合夹芯防弹结构，包括复合夹芯层，所述复合夹芯层由蜂窝型负泊松比结构和充填于所述蜂窝型负泊松比结构孔隙内的弹性体材料构成。本发明提供的一种复合夹芯防弹结构，在蜂窝型负泊松比结构和填充在其孔隙内的弹性体材料的相互协同促进作用下，具有低密度、高抗冲击强度、高抗断裂性能和良好的吸能减震性能，在防爆、防弹及轻质装甲防护等方面拥有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及防弹结构领域，尤其涉及一种复合夹芯防弹结构。
背景技术
复合防弹结构由于具有轻质高强、多部件一体化、可设计性强、制造成本低、开发周期短等多种优势，在军工等先进制造领域的应用越来越广泛。近几十年来，国内外研究人员对轻型装甲系统及其弹道性能进行了大量的研究，致力于防护装备防护能力、机动性能、作战性能三者之间的平衡，对新型轻质装甲材料和装甲结构提出了更高的要求。
常见的复合夹芯防弹结构一般分为迎弹面板、复合夹芯层以及缓冲背板。弹体对复合夹芯防弹结构的侵彻与贯穿不同于单一结构金属板或复合材料板，整个过程中夹芯结构的面板、背板和夹芯层互相作用，互相耦合，其结构的设计和材料的选择是影响整体结构防弹性能的重要因素。
目前的复合防弹结构成本高、重量大、加工周期长、受复杂模型的限制，随着复合防弹结构的不断发展，研究人员发现夹芯层对复合防弹结构的性能起着关键性的因素，因此针对复合防弹结构的夹芯层进行优化设计非常重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在复合防弹夹芯层结构强度低、抗侵彻性能差的问题，提供一种复合夹芯防弹结构。
本发明提供的一种复合夹芯防弹结构，包括复合夹芯层，所述复合夹芯层由蜂窝型负泊松比结构和充填于所述蜂窝型负泊松比结构的孔隙内的弹性体材料构成。
优选地，所述弹性体材料为聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或环氧树脂。
优选地，所述弹性体材料为聚碳酸酯。
优选地，所述蜂窝型负泊松比结构由阵列的内凹蜂窝型胞体单元组成的三维蜂窝结构；所述内凹蜂窝型胞体单元为由多个棱边柱和侧边柱构成的多面柱体结构，每个所述侧边柱包括连接相邻两个棱边柱顶部的上边柱和连接相邻两个棱边柱底部的下边柱，所述上边柱为正V型柱，所述下边柱为倒V型柱；所述多面柱体结构还包括一个中心柱体、若干个第一连接柱和第二连接柱，所述中心柱体位于所述多面柱体结构的内部且与所述棱边柱平行设置；每个所述第一连接柱的一端与所述中心柱体的顶部相连，其另一端与所述上边柱的中心处相连；每个所述第二连接柱的一端与所述中心柱体的底部相连，其另一端与所述下边柱的中心处相连。
优选地，所述上边柱的下凹角和所述下边柱的上凹角均为60°。
优选地，所述上边柱和下边柱的中心处分别设有用于相邻的所述内凹蜂窝型胞体单元连接固定的固定柱。
优选地，还包括面板和背板，所述复合夹芯层固定在所述面板和背板之间；所述面板为碳化硼陶瓷面板，所述背板为UHMWPE纤维缓冲背板。
本发明还提供了一种复合夹芯防弹结构的制备方法，基于权利要求7所述的复合夹芯防弹结构，绘制所述蜂窝型负泊松比结构模型，以TC4钛合金粉末为原材料，采用3D打印技术加工成型，向成型的所述蜂窝型负泊松比结构的孔隙内注塑填充聚碳酸酯形成复合夹芯层。
优选地，所述弹性体材料为聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或环氧树脂。
优选地，还包括碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板，将所述复合夹芯层固定在所述碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板之间形成整体的复合夹芯防弹结构。
本发明的有益效果在于：本发明的复合夹芯防弹结构，在蜂窝型负泊松比结构和填充在其孔隙内的弹性体材料的相互协同促进作用下，具有低密度、高抗冲击强度、高抗断裂性能和良好的吸能减震性能，在防爆、防弹及轻质装甲防护等方面拥有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种复合夹芯防弹结构的结构示意图；
图2为图1中复合夹芯层的结构示意图；
图3为图2中内凹蜂窝型胞体单元的结构示意图；
图4为利用3D打印技术打印成型的蜂窝型负泊松比结构结构成品图；
图5A为弹头侵彻无注塑材料的复合防弹结构恰好穿透时弹体-复合防弹结构的变形情况图；
图5B为弹头侵彻到注塑环氧树脂注塑的复合防弹结构速度降为0时弹体-复合防弹结构的变形情况图；
图5C为弹头侵彻到注塑TPU注塑的复合防弹结构速度降为0时弹体-复合防弹结构的变形情况图；
图5D为弹头侵彻到注塑聚碳酸酯注塑的复合防弹结构速度降为0时弹体-复合防弹结构的变形情况图；
图6A为弹头侵彻无注塑材料的复合防弹结构的速度-时间曲线图；
图6B为弹头侵彻环氧树脂注塑的复合防弹结构的速度-时间曲线图；
图6C为弹头侵彻TPU注塑的复合防弹结构的速度-时间曲线图；
图6D为弹头侵彻聚碳酸酯注塑的复合防弹结构的速度-时间曲线图。
附图标记说明：
1-复合夹芯层； 2-面板； 3-背板；
11-蜂窝型负泊松比结构； 111-棱边柱；
112-上边柱； 113-下边柱； 114-中心柱体；
115-第一连接柱； 116-第二连接柱； 117-固定柱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。本发明中所指代的“上”、“下”均以图2和图3进行定向。
本发明提供的一种复合夹芯防弹结构，如图1～3所示，包括复合夹芯层1，所述复合夹芯层1由蜂窝型负泊松比结构11和充填于所述蜂窝型负泊松比结构11孔隙内的弹性体材料构成。
具体地，蜂窝型负泊松比结构11是由多个阵列排列的内凹蜂窝型胞体单元组成的三维蜂窝结构，弹性体材料内嵌并填充在内凹蜂窝型胞体单元的孔隙内，可通过注塑工艺将弹性体材料填充在内凹蜂窝型胞体单元的孔隙内，形成复合夹芯层1。
蜂窝型负泊松比结构是利用其自身拉胀效应与蜂窝吸能特性，吸收冲击能量，实现其较强的抗冲击作用。通常传统的蜂窝结构在宏观上都呈现正泊松比，内凹型蜂窝结构一般呈负泊松比，传统的蜂窝结构在冲击荷载作用下发生压缩，并在与冲击荷载垂直的方向上从受冲击部位向四周流动，而呈负泊松比蜂窝型结构在冲击方向承受压缩时，在侧面发生收缩，并从四周向冲击部位流动，从而使负泊松比结构的局部密度增大、模量迅速提高。本发明是在蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内填充弹性体材料，弹性体材料具有较高的韧性和弹性模量，在受到侵彻时，弹性体材料由于负泊松比蜂窝结构向内的压缩力作用从四周向冲击部聚集，使侵彻部位的密度增大、模量提高，增强侵彻部位的强度，有效提高蜂窝型负泊松比结构的抗侵彻能力，由于弹性体材料是一种高韧性、高弹性模量的材料，在受到侵彻的过程中，弹性体材料分子一方面向侵彻部位聚集，增强侵彻部位强度，另一方面被压缩吸能，可进一步提高蜂窝型负泊松比结构的吸能作用，提高蜂窝型负泊松比结构的抗冲击能力和抗剪切能力，因此，本发明提供的一种复合夹芯防弹结构，在负泊松比蜂窝夹芯结构和填充在其孔隙内的弹性体材料的相互协同促进作用下，具有低密度、高抗冲击强度、高抗断裂性能和良好的吸能减震性能。
具体地，所述弹性材料可为聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)或环氧树脂，优选聚碳酸酯。复合夹芯层1中有无注塑以及注塑材料的不同对复合夹芯防弹结构的防弹性能有较大的影响，注塑后的复合夹芯防弹结构防弹效果较无注塑结构有大幅度的提高，可以更有效的阻止弹体穿透，聚碳酸酯作为注塑材料在提高抗侵彻性能方面要优于环氧树脂和TPU，TPU作为注塑材料在提高抗侵彻性能方面要优于环氧树脂。
基于上述实施例，本实施例中，参考图2和图3，所述蜂窝型负泊松比结构11由阵列的内凹蜂窝型胞体单元组成的三维蜂窝结构，如图3所示是由内凹蜂窝型胞体单元排列组合成的六面体结构；如图2所示，所述内凹蜂窝型胞体单元为由多个棱边柱111和侧边柱构成的多面柱体结构，每个所述侧边柱包括连接相邻两个棱边柱111顶部的上边柱112和连接相邻两个棱边柱111底部的下边柱113，所述上边柱112为正V型柱，所述下边柱113为倒V型柱；所述多面柱体结构还包括一个中心柱体114、若干个第一连接柱115和第二连接柱116，所述中心柱体114位于所述多面柱体结构的内部，最优选的是将中心柱体114放置在所述多面柱体结构的竖直中垂线上，与所述棱边柱111平行设置；每个所述第一连接柱115的一端与所述中心柱体114的顶部相连，其另一端与所述上边柱112的中心处相连；每个所述第二连接柱116的一端与所述中心柱体114的底部相连，其另一端与所述下边柱113的中心处相连。
内凹蜂窝型胞体单元具有复杂的三维网状结构，一方面大量孔隙可方便弹性体材料的注塑成型，另一方面可增强复合夹芯防弹结构的杨氏模量、剪切模量、屈服强度及断裂韧性。
基于上述实施例，本实施例中，参考图3，所述上边柱112的下凹角和所述下边柱113的上凹角均为60°。若凹角过大，则内凹蜂窝型胞体单元内的孔隙较大，结构强度较弱；若凹角过小，内凹蜂窝型胞体单元内的孔隙则太小，不利于弹性体材料的注塑成型，增加注塑工艺难度，且会造成弹性体材料的相对密度较大。
基于上述实施例，本实施例中，所述上边柱112和下边柱113的中心处分别设有固定柱117，用于相邻的所述内凹蜂窝型胞体单元连接固定。
基于上述实施例，本实施例中，参考图1，还包括面板2和背板3，所述复合夹芯层1固定在所述面板2和背板3之间。具体地，面板2和背板3通过无缝胶接的形式分别固定在复合夹芯层1的正面和背面上，起到复合抗侵彻的作用。
基于上述实施例，本实施例中，所述面板2为碳化硼陶瓷面板，所述背板为UHMWPE纤维缓冲背板。碳化硼陶瓷面板具有较高的硬度，作为复合夹芯防弹结构的第一层保护，弹头高速贯穿碳化硼陶瓷面板后产生了变形、侵蚀及破碎现象，其长径比及质量发生一定的改变，变形弹头在与复合夹芯层1碰撞初期挤压蜂窝型负泊松比结构11，由于弹头变形增大了弹靶接触面积，增加了弹头撞击复合夹芯层初期的开坑阻力，因此降低了弹性材料材料连同负泊松比结构在产生高应变率条件下的压、剪破坏作用，而UHMWPE纤维缓冲背板能够为复合夹芯层1提供一定的支撑作用的同时起到较好的缓冲效果，面板2和背板3使得复合夹芯防弹结构在防爆和防弹性能上得到了极大提升。
基于上述实施例，本实施例中，所述面板2的厚度为3mm，所述复合夹芯层1的厚度为10.44mm，所述背板3的厚度为2mm。蜂窝型负泊松比结构11采用TC4钛合金粉末材料由3D打印加工而成，可进一步增强复合夹芯防弹结构的强度、耐蚀性能和耐热性能。
本发明提供的一种复合夹芯防弹结构，采用的均为低成本、低密度、重量轻材料，结构简单、体积小，实现轻量化和低加工成本，同时具有高硬度、高强度、高韧性、高吸能率和无二次杀伤效应等性能，在防爆、防弹及轻质装甲防护等方面拥有广阔的应用前景。
本发明实施例提供的一种复合夹芯防弹结构的制备方法，是基于上述所述的复合夹芯防弹结构的制备方法，其方法如下：绘制所述蜂窝型负泊松比结构11模型，以TC4钛合金粉末为原材料，采用3D打印技术加工成型，向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内注塑填充弹性体材料形成复合夹芯层1。
具体地，在三维制图软件SolidWorks中绘制蜂窝型负泊松比结构11结构模型，然后保存为STL格式文件导入设备打印操作系统，设置参数进行加工，利用3D打印技术——选择性激光熔融(SLM)加工成型，成型的成品如图4所示，由于蜂窝型负泊松比结构11中含有大量孔隙，通过注塑工艺由注射成型机向其孔隙内填充注入弹性材料，形成复合夹芯层1。3D打印技术作为一种快速成型技术，在复杂的结构成型及加工效率方面有着传统机械加工不具备的优势，其加工周期短，不受复杂模型限制，并能省去高昂模具开发费用。采用TC4钛合金粉末材料作为原材料，可提高复合夹芯防弹结构的强度、耐蚀性能和耐热性能。
作为本发明的另一种实施例，还包括碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板。绘制所述蜂窝型负泊松比结构11模型，以TC4钛合金粉末为原料，采用3D打印技术加工成型，向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内注塑弹性材料形成复合夹芯层1，将所述复合夹芯层1通过无缝胶接的形式固定在碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板之间，并通过包边将复合夹芯层1、面板2和背板3无缝胶接在一起形成整体的复合夹芯防弹结构。
实施例1
绘制蜂窝型负泊松比结构11模型，以TC4钛合金粉末为原料，采用3D打印技术加工成型，向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内注塑聚碳酸酯形成复合夹芯层1，将所述复合夹芯层1通过无缝胶接的形式固定在碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板之间，形成整体的复合夹芯防弹结构。
实施例2
制备方法同实施例1，不同之处在于：向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内注塑热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)。
实施例3
制备方法同实施例1，不同之处在于：向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内注塑环氧树脂。
对比例1
制备方法同实施例1，不同之处在于：向成型的所述蜂窝型负泊松比结构11的孔隙内不注塑任何材料。
对制作成型的实施例1～3和对比例1的复合夹芯防弹结构进行弹头侵彻实验：利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对弹体侵彻复合夹芯防弹结构过程中的细节和防弹机理进行了分析，定量地评估弹体在复合夹芯防弹结构中速度及能量的变化，探究注塑后复合防弹结构整体的防弹性能。
试验例
1、实验材料
弹体选用《GA141-2010警用防弹衣》中51式7.62mm手枪弹弹头，由钢被甲和铅芯两部分组成。弹头直径为7.80mm，全长13.80mm，重5.6g，对弹头整体施加515m/s的初始速度，使其匀速水平射入复合防弹结构。复合防弹结构的尺寸为29.22mm×29.22mm×15.44mm，其中碳化硼陶瓷层厚3mm，内凹蜂窝型负泊松比结构及注塑层厚10.44mm，UHMWPE纤维层厚2mm。背衬尺寸为40mm×40mm×10mm，材料为氯丁橡胶，用于模拟人体躯干。利用SolidWorks三维制图软件绘制几何模型，并在Hypermesh前处理软件中完成有限元网格的划分。对于正侵彻，由于弹体、靶板为对称结构，为了提高计算效率，取弹体、靶板的1/4建立模型，在对称面施加相应的对称约束。网格划分方面，弹体、碳化硼陶瓷面板、UHMWPE纤维缓冲背板及背衬采用六面体单元，复合夹芯层1采用四面体单元。
2、数值模拟及结果
模型使用LS-DYNA求解器求解，并通过LS-PrePost软件对数据进行后处理，弹体以515m/s的初速度垂直侵彻复合防弹结构，探究弹体在侵彻复合夹芯防弹结构的过程中弹体与复合夹芯防弹结构的变形情况以及弹体剩余速度与动能随时间的变化。
弹体在侵彻不同复合防弹结构弹体-复合防弹结构的变形情况分别如图5A(无注塑)、图5B(环氧树脂注塑)、图5C(TPU注塑)、图5D(聚碳酸酯注塑)所示，其中图5B、C、D中弹体速度恰好降为0，弹体的速度-时间曲线如图6A(无注塑)、图6B(环氧树脂注塑)、图6C(TPU注塑)、图6D(聚碳酸酯注塑)所示。
从图5A、B、C、D可看出在蜂窝型负泊松比结构11中注入环氧树脂、TPU或聚碳酸酯后，弹体在复合夹芯层1侵彻过程中产生了更为明显的墩粗、变形和破碎，复合夹芯层1产生了较为明显的拉伸形变，UHMWPE纤维缓冲背板的纤维层及背衬材料的凹陷深度也更加明显。由图6B、C、D可知，弹头在注入环氧树脂、TPU或聚碳酸酯的复合夹芯防弹结构中速度降为0时所用时间区别明显，分别为80μs，66μs和54μs；TPU注塑的蜂窝型负泊松比结构与环氧树脂注塑的蜂窝型负泊松比结构相比防弹效果提高了17.5％，聚碳酸酯注塑的蜂窝型负泊松比结构与环氧树脂注塑的蜂窝型负泊松比结构相比防弹效果提高了32.5％，聚碳酸酯注塑蜂窝型负泊松比结构与TPU注塑蜂窝型负泊松比结构相比防弹效果提高了18.2％。弹头在侵彻不同复合夹芯防弹结构的过程中钢背甲和铅芯之间发生相对滑动的距离也有很大不同，在无注塑蜂窝型负泊松比结构11中相对滑动的距离较小，而在注塑蜂窝型负泊松比结构11中发生了较大的相对滑动，尤其是在聚碳酸酯注塑蜂窝型负泊松比结构11中铅芯产生了严重的磨蚀和质量亏损，这表明了在复合夹芯防弹结构面板和背板保持不变的情况下，蜂窝型负泊松比结构11中有无注塑以及注塑材料的不同对复合防弹结构的防弹性能有较大的影响，注塑后的复合夹芯防弹结构的防弹效果较无注塑结构有大幅度的提高，可以更有效的阻止弹体穿透，聚碳酸酯作为注塑材料在提高抗侵彻性能方面要优于环氧树脂和TPU，TPU作为注塑材料在提高抗侵彻性能方面要优于环氧树脂。
注塑后的复合夹芯防弹结构的防弹效果较无注塑结构有大幅度的提高，主要原因是弹头高速贯穿碳化硼陶瓷面板后产生了变形、侵蚀及破碎现象，其长径比及质量发生一定的改变，变形弹头在与注塑复合夹芯层碰撞初期挤压复合夹芯层，使注塑材料连同负泊松比结构产生高应变率条件下的压、剪破坏，此过程中因弹头变形增大了弹靶接触面积，增加了弹头撞击复合夹芯层初期的开坑阻力，同时背板的存在给夹芯层一定的支撑，使得注塑后的复合夹芯层抗拉性能大大提高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种复合夹芯防弹结构，其特征在于，包括复合夹芯层，所述复合夹芯层由蜂窝型负泊松比结构和充填于所述蜂窝型负泊松比结构的孔隙内的弹性体材料构成；
所述蜂窝型负泊松比结构由阵列的内凹蜂窝型胞体单元组成的三维蜂窝结构；
所述内凹蜂窝型胞体单元为由多个棱边柱和侧边柱构成的多面柱体结构，每个所述侧边柱包括连接相邻两个棱边柱顶部的上边柱和连接相邻两个棱边柱底部的下边柱，所述上边柱为正V型柱，所述下边柱为倒V型柱；所述多面柱体结构还包括一个中心柱体、若干个第一连接柱和第二连接柱，所述中心柱体位于所述多面柱体结构的内部且与所述棱边柱平行设置；每个所述第一连接柱的一端与所述中心柱体的顶部相连，其另一端与所述上边柱的中心处相连；每个所述第二连接柱的一端与所述中心柱体的底部相连，其另一端与所述下边柱的中心处相连；
所述上边柱的下凹角和所述下边柱的上凹角均为60°，所述上边柱和下边柱的中心处分别设有用于相邻的所述内凹蜂窝型胞体单元连接固定的固定柱。
2.根据权利要求1所述的复合夹芯防弹结构，其特征在于，所述弹性体材料为聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的复合夹芯防弹结构，其特征在于，所述弹性体材料为聚碳酸酯。
4.根据权利要求1~3任一项所述的复合夹芯防弹结构，其特征在于，还包括面板和背板，所述复合夹芯层固定在所述面板和背板之间；所述面板为碳化硼陶瓷面板，所述背板为UHMWPE纤维缓冲背板。
5.一种复合夹芯防弹结构的制备方法，其特征在于，基于权利要求4所述的复合夹芯防弹结构，绘制所述蜂窝型负泊松比结构模型，以TC4钛合金粉末为原材料，采用3D打印技术加工成型，向成型的所述蜂窝型负泊松比结构的孔隙内注塑填充弹性材料形成复合夹芯层。
6.根据权利要求5所述的复合夹芯防弹结构的制备方法，其特征在于，所述弹性体材料为聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或环氧树脂。
7.根据权利要求5所述的复合夹芯防弹结构的制备方法，其特征在于，还包括碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板，将所述复合夹芯层固定在所述碳化硼陶瓷面板和UHMWPE纤维缓冲背板之间形成整体的复合夹芯防弹结构。
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