CN108088312B - 一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法，属于防弹技术领域，包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，其中：所述多层陶瓷组合拼接结构层在碳纤维刚性复合材料板表面进行，采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的一种或多种组合，拼接层数为2‑3层；所述表面缓冲层采用编织的高分子纤维布制备而成；所述整体刚性层为包覆在外表面的碳纤维复合结构。本发明可提高较低重量下的防弹吸能效率，实现高效吸能与整体刚度的综合集成，提高防弹性能。
Description
技术领域
本发明涉及防弹技术领域，特别是指一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法。
背景技术
对于重型武器的防护，特别是重机枪射击的大口径弹丸的防护，一直是武装直升机、坦克和重型装甲车防护的重要防弹性能要求，而目前这些武装航行器或车辆所用的防护装甲主要是金属，其中一部分是组合复合材料结构，金属自身的重量较大，而且对于连续大口径弹丸的冲击破坏的抵御能力较差，而组合式复合材料结构体系一般采用防弹陶瓷与高分子复合材料(UHMWPE纤维复合材料或芳纶复合材料等)组合而成的复合装甲结构，这种结构可以抵御弹丸的连续射击并且具有重量轻、机动性强的综合性能优势，但是目前的军用复合材料结构装甲的连续防弹特性测试，对于这种复合装甲提出了更高的要求，其中比较重点的就是大幅度的减重提高机动性和提高连续射击的防弹性能稳定要求，而这种组合结构中陶瓷的体密度较大，减重空间较小，而且目前陶瓷采用的组合形式基本为单层陶瓷的对缝胶接结构。
从目前的应用效果来看，出现了陶瓷与复合材料组合装甲结构在较低面密度水平下的穿透问题，这对于防弹稳定性无疑是致命的，这主要是由于单层陶瓷的组合拼接方案存在较大弊端，而单层对缝之间主要靠特种粘合剂的粘接为主，当弹丸侵撤破坏连续打击时，若几种对接接缝部位则会造成陶瓷的抗剪切特性的瞬间丧失，这会引起防弹性能的不稳定。
发明内容
本发明提供一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法，可提高较低重量下的防弹吸能效率，实现高效吸能与整体刚度的综合集成，提高防弹性能。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构，包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，其中：
所述多层陶瓷组合拼接结构层在碳纤维刚性复合材料板表面进行，采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的一种或多种组合，拼接层数为2-3层；
所述表面缓冲层采用编织的高分子纤维布制备而成；
所述整体刚性层为包覆在外表面的碳纤维复合结构。
进一步的，多层陶瓷组合拼接结构层中单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合或X型接缝组合，六角形陶瓷采用S型接缝组合；
相邻陶瓷的接缝组合不相同。
进一步的，所述碳纤维刚性复合材料板的厚度为2-5mm。
进一步的，所述表面缓冲层的厚度为1-2mm。
另一方面，本发明提供一种上述组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：多层陶瓷组合拼接结构层的制备：在碳纤维刚性复合材料板表面进行陶瓷拼接，陶瓷拼接采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的其中一种或多种组合，拼接层数为2-3层，拼接时，单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合形式、X型接缝组合形式，六角形陶瓷采用S型接缝组合形式；
将多层陶瓷组合拼接结构层拼接在含有环氧树脂的碳纤维刚性复合材料板上。
步骤2：表面缓冲层的制备：在多层陶瓷组合完毕后，在组合陶瓷迎面弹表面铺设缓冲复合材料层，采用编织的高分子纤维布制备；
步骤3：整体刚性层的制备：在步骤1、2完成后，在表面包覆碳纤维，包覆完成后，采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种进行真空导入成型，真空度控制在-0.05～-0.1MPa范围内，真空浸渍之后的组合结构在室温至140℃范围内固化一定时间。
进一步的，步骤1中，碳纤维刚性复合材料板的厚度为2-5mm，所用的碳纤维为T300、T700、T800或T1000中的一种。
进一步的，步骤1中，纤维采用正交或±45°铺层方式，采用环氧树脂为基体，树脂基体的含量为30-50％。
进一步的，步骤2中，表面缓冲层的厚度为1-2mm。
进一步的，步骤2中，编织结构为平纹、斜纹或缎纹的一种，纤维选用芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维的一种。
进一步的，步骤3中，包覆的碳纤维为T300、T700、T800或T1000，固化时间为2-3小时。
本发明具有以下有益效果：
本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法，该结构包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，利用多层陶瓷拼接组装实现接缝交错式排列，多层结构叠层排布，实现弹丸冲击过程中靠陶瓷碎裂几率增加加大能量吸收效率，实现较低重量下的防弹吸能效率，该吸能结构整体使用高剪切强度树脂的真空导入组合成型，外包覆碳纤维复合结构的整体刚性层，实现效率吸能与整体刚性的综合集成，具有较高的防弹性能。
附图说明
图1为本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的整体结构示意图，其中，6-表面缓冲层，7、8-多层陶瓷组合拼接结构层，9-碳纤维刚性复合材料板，10-整体刚性层；
图2为本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的一种陶瓷拼接结构的示意图，其中，迎弹面陶瓷层采用50×50mm的5mm厚的正方形陶瓷片1拼接，边缘采用50×25mm的5mm厚的长方形陶瓷片2拼接，迎弹面角上采用25×25mm的5mm厚的正方形陶瓷片3拼接，内部陶瓷层采用50×50mm的4mm厚的正方形陶瓷片4拼接，边缘采用50×25mm的4mm厚的长方形陶瓷片5拼接。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明提供一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构，如图1所示，包括表面缓冲层6、多层陶瓷组合拼接结构层7、8和包覆在外表面的整体刚性层10，其中：
多层陶瓷组合拼接结构层7、8在碳纤维刚性复合材料板9表面进行，采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的一种或多种组合，拼接层数为2-3层；
表面缓冲层6采用编织的高分子纤维布制备而成；
整体刚性层10为包覆在外表面的碳纤维复合结构。
本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构，该结构包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，利用多层陶瓷拼接组装实现接缝交错式排列，多层结构叠层排布，实现弹丸冲击过程中靠陶瓷碎裂几率增加加大能量吸收效率，实现较低重量下的防弹吸能效率，该吸能结构整体使用高剪切强度树脂的真空导入组合成型，外包覆碳纤维复合结构的整体刚性层，实现效率吸能与整体刚性的综合集成。
进一步的，多层陶瓷组合拼接结构层7、8中单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合或X型接缝组合，六角形陶瓷采用S型接缝组合，如图2所示，是其中的一直组合方式；
相邻陶瓷的接缝组合不相同。
优选的，碳纤维刚性复合材料板9的厚度为2-5mm，表面缓冲层6的厚度优选为1-2mm。
另一方面，本发明还提供一种上述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，包括：
步骤1：多层陶瓷组合拼接结构层的制备：在碳纤维刚性复合材料板表面进行陶瓷拼接，陶瓷拼接采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的其中一种或多种组合，拼接层数为2-3层，拼接时，单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合形式、X型接缝组合形式，六角形陶瓷采用S型接缝组合形式；
将多层陶瓷组合拼接结构层拼接在含有环氧树脂的碳纤维刚性复合材料板上。
步骤2：表面缓冲层的制备：在多层陶瓷组合完毕后，在组合陶瓷迎面弹表面铺设缓冲复合材料层，采用编织的高分子纤维布制备；
步骤3：整体刚性层的制备：在步骤1、2完成后，在表面包覆碳纤维，包覆完成后，采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种进行真空导入成型，真空度控制在-0.05～-0.1MPa范围内，真空浸渍之后的组合结构在室温至140℃范围内固化一定时间。
本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法，该结构包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，利用多层陶瓷拼接组装实现接缝交错式排列，多层结构叠层排布，实现弹丸冲击过程中靠陶瓷碎裂几率增加加大能量吸收效率，实现较低重量下的防弹吸能效率，该吸能结构整体使用高剪切强度树脂的真空导入组合成型，外包覆碳纤维复合结构的整体刚性层，实现效率吸能与整体刚性的综合集成，具有较高的防弹性能。
下面结合具体实施例进行进一步说明本制备方法的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本发明范围的限制。
实施例1：
组合式陶瓷装甲板的陶瓷拼接层，采用2层组合方案，其中迎弹面采用3mm厚度的碳化硼陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用60×60mm的片状尺寸，通过X型接缝组合；内部陶瓷层采用4mm的碳化硅陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用50×50mm片状尺寸，T型接缝组合；
将双层陶瓷拼接在环氧树脂含量为50％的T300增强的厚度为5mm的碳纤维复合材料板上，在陶瓷组合完毕后，在迎弹面陶瓷表面铺设一层厚度为2mm的芳纶纤维的平纹织物层；
在缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层(带有碳纤维复合材料刚性板)制备完毕之后，在表面包覆T300碳纤维，采用环氧树脂进行真空导入成型，真空度控制在-0.05MPa，真空浸渍之后的组合结构在140℃固化2小时成型最终陶瓷装甲层。
实施例2：
组合式陶瓷装甲板的陶瓷拼接层，采用2层组合方案，其中迎弹面采用5mm厚度的碳化硼陶瓷的六角形外型制备，陶瓷采用对角线50mm的片状尺寸，通过S型接缝组合，内部陶瓷层采用5mm的碳化硼陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用50×50mm的片状尺寸，通过T型接缝组合；
将双层陶瓷拼接在环氧树脂含量为30％的T1000增强的厚度为2mm的碳纤维复合材料板上，在陶瓷组合完毕后，在迎弹面陶瓷表面铺设一层厚度为1mm的UHMWPE纤维缎纹织物层；
在缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层(带有碳纤维复合材料刚性板)制备完毕之后，在表面包覆T800碳纤维，采用酚醛树脂进行真空导入成型，真空度控制在-0.1MPa，真空浸渍之后的组合结构在140℃固化3小时成型最终陶瓷装甲层。
实施例3：
组合式陶瓷装甲板的陶瓷拼接层，采用2层组合方案，其中迎弹面采用5mm厚度的碳化硼陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用50×50mm的片状尺寸，通过T型接缝组合；内部陶瓷层采用4mm的氧化铝陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用50×50mm的片状尺寸，通过X型接缝组合；
将双层陶瓷拼接在环氧树脂含量为50％的T700增强的厚度为5mm的碳纤维复合材料板上，在陶瓷组合完毕后，在迎弹面陶瓷表面铺设一层厚度为2mm的PBO纤维的斜纹织物层；
在缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层(带有碳纤维复合材料刚性板)制备完毕之后，在表面包覆T1000碳纤维，采用不饱和聚酯树脂进行真空导入成型，真空度控制在-0.1MPa，真空浸渍之后的组合结构在室温固化2小时成型最终陶瓷装甲层。
实施例4：
组合式陶瓷装甲板的陶瓷拼接层，采用2层组合方案，其中迎弹面采用4mm厚度的氧化铝陶瓷的六角形外型制备，陶瓷采用对角线50mm的片状尺寸，通过S型接缝组合，内部陶瓷层采用4mm的碳化硅陶瓷的正方形外型制备，陶瓷采用60×60mm的片状尺寸，通过T型接缝组合；
将双层陶瓷拼接在环氧树脂含量为30％的T800增强的厚度为2mm的碳纤维复合材料板上，在陶瓷组合完毕后，在迎弹面陶瓷表面铺设一层厚度为1mm的芳纶纤维的斜纹织物层；
在缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层(带有碳纤维复合材料刚性板)制备完毕之后，在表面包覆T1000碳纤维，采用环氧树脂进行真空导入成型，真空度控制在-0.1MPa，真空浸渍之后的组合结构在120℃固化2.5小时成型最终陶瓷装甲层。
在本发明中，制备方法的条件不同，得到的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的性能会有不同，为更好地证明本发明的优点，构建如下对比例1：
对比例1：
取与整体厚度与实施例4相同，采用单层陶瓷对缝胶结的防弹陶瓷与UHMWPE纤维复合材料组成的复合装甲结构。
将实施例1-实施例4以及对比例1进行自身重量对比，实施例1-4的自重在14-16kN/m3之间，对比例1的自重为24.3kN/m3；
对实施例1-实施例4以及对比例1进行弹道冲击试验，所用弹体为12g正圆柱弹，弹速分别为200m/s、600m/s、1000m/s进行测试，得到表1的结果：
表1
由表1可知，本发明的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构与对比例1相比，自重较小，且吸能效果好，具有较高的防弹性能，主要原因可能为对比例1为单层陶瓷对缝之间主要靠特种粘结剂的粘结为主，当弹丸连接打击时，对接接缝部位则会造成陶瓷的抗剪切特性瞬间丧失，引起了防弹性能的不稳定；而本发明为多层陶瓷编织拼接在一起，且相邻层陶瓷组合方案不同，对缝部位连接紧密，防止了结构在受到打击时的某一薄弱界面发生剪切破坏。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构，其特征在于，包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，其中：
所述多层陶瓷组合拼接结构层在碳纤维刚性复合材料板表面进行，采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的一种或多种组合，拼接层数为2-3层；
所述表面缓冲层采用编织的高分子纤维布制备而成，编织结构为平纹、斜纹或缎纹的一种，纤维选用芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维的一种；
所述整体刚性层为包覆在外表面的碳纤维复合结构；
多层陶瓷组合拼接结构层中单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合或X型接缝组合，六角形陶瓷采用S型接缝组合；
相邻陶瓷的接缝组合不相同；
所述碳纤维刚性复合材料板的厚度为2-5mm；
所述表面缓冲层的厚度为1-2mm。
2.一种权利要求1所述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：多层陶瓷组合拼接结构层的制备：在碳纤维刚性复合材料板表面进行陶瓷拼接，陶瓷拼接采用碳化硼、碳化硅、氧化铝陶瓷的其中一种或多种组合，拼接层数为2-3层，拼接时，单层陶瓷采用正方形陶瓷的T型接缝组合形式或X型接缝组合形式，六角形陶瓷采用S型接缝组合形式；
将多层陶瓷组合拼接结构层拼接在含有环氧树脂的碳纤维刚性复合材料板上；
步骤2：表面缓冲层的制备：在多层陶瓷组合完毕后，在组合陶瓷迎弹面表面铺设缓冲复合材料层，采用编织的高分子纤维布制备；
步骤3：整体刚性层的制备：在步骤1、2完成后，在表面包覆碳纤维，包覆完成后，采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种进行真空导入成型，真空度控制在-0.05～-0.1MPa范围内，真空浸渍之后的组合结构在室温至140℃范围内固化一定时间。
3.根据权利要求2所述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，碳纤维刚性复合材料板的厚度为2-5mm，所用的碳纤维为T300、T700、T800或T1000中的一种。
4.根据权利要求3所述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，步骤1中，碳纤维采用正交或±45°铺层方式，碳纤维刚性复合材料板采用环氧树脂为基体，环氧树脂基体的含量为30-50％。
5.根据权利要求2所述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，步骤2中，表面缓冲层的厚度为1-2mm。
6.根据权利要求2-5任一所述的组合式防弹陶瓷装甲拼接结构的制备方法，其特征在于，步骤3中，包覆的碳纤维为T300、T700、T800或T1000，固化时间为2-3小时。
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