CN108151588A - 一种蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法，属于防弹插板技术领域，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，其中：表面复合材料刚性层为碳纤维织物结构浸渍热固性树脂固化形成，所述陶瓷蜂窝阻隔层由单个六角形柱状陶瓷微筒拼接在所述中间复合材料刚性连接层的表面形成，所述中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料热压制备而成，所述内部韧性层采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成。本发明重量较轻、刚度大、整体变形量小。
Description
技术领域
本发明涉及防弹插板技术领域，特别是指一种蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法。
背景技术
防弹插板是一种单兵作战防护躯干部位安全进而保证士兵生命安全的主要装备，一般的插板和防弹背心配合使用，用以防护冲锋枪、步枪、狙击步枪对人体的伤害。传统的防弹插板均为金属材质、陶瓷材质或者个别的高性能复合材料材质，材质单一、结构单一，基本为二维叠层材料，而对于这种材料和结构设计的复合材料防弹插板，能够很好的防御局限武器的射击弹丸，但是对于重量轻便要求、整体刚性、使用寿命等方面的指标达到，则极为不稳定。为了解决这个问题，复合结构和组合结构的防弹插板成为研究的重点，尤其是陶瓷材质和高性能复合材料材质的防弹插板的组合结构设计，成为研究的热点。
为了提高防弹插板的整体刚度和整体重量的降低，各种复合材料结构材质成为应用的主要材料，但是传统的二维叠层结构对于弹丸的防护级别存在极限，当射击弹速大于700m/s，传统二维结构的复合材料插板的防弹水平不够稳定，尤其抵御弹丸后的整体变形量较大，容易造成士兵或者警员的二次冲击钝伤。
发明内容
本发明提供一种重量轻、刚度大、整体变形量小的高级别的蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种蜂窝阻隔结构防弹插板，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，其中：
所述表面复合材料刚性层为碳纤维织物结构浸渍热固性树脂固化形成，所述陶瓷蜂窝阻隔层由单个六角形柱状陶瓷微筒拼接在所述中间复合材料刚性连接层的表面形成，所述中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料热压制备而成，所述内部韧性层采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成。
进一步的，所述中间复合材料刚性连接层的厚度为1-4mm，所述内部韧性层的厚度为3-5mm。
进一步的，所述表面复合材料刚性层中碳纤维选用T300、T700、T800或T1000；
织物结构为平纹、斜纹或缎纹织物。
进一步的，所述表面复合材料刚性层中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
进一步的，所述陶瓷蜂窝阻隔层中陶瓷的材质选用氧化铝、碳化硅、氮化硼、碳化硼或氮化硅。
进一步的，所述陶瓷蜂窝阻隔层中六角形柱状陶瓷微筒的高度为5-20mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚为1-3mm。
进一步的，所述中间复合材料刚性连接层中碳纤维为T300、T700、T800或T1000；
二维编织结构为平纹、斜纹或缎纹；
预浸原料的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
进一步的，所述内部韧性层中混杂纤维多维织物包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为UHMWPE纤维、芳纶纤维或PBO纤维，辅助纤维为T300、T700、T800或T1000；
混杂纤维多维织物采用二维织物结构或三维织物结构，三维织物结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构；
所述内部韧性层中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和树脂。
另一方面，本发明提供一种上述的蜂窝阻隔结构防弹插板的制备方法，包括以下步骤：
首先制备中间复合材料刚性连接层，然后制备内部韧性层，之后以热固性粘合剂将预先热压制备的中间复合材料刚性连接层以及陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成防弹插板整体，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa，固化成型的温度控制在120-160℃。
进一步的，制备中间复合材料刚性连接层时，选用T300、T700、T800或T1000碳纤维织物结构，选用环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂为基体热压固化形成，其中，树脂含量为30-60％，热压的最大压力为25MPa，热压温度为120-160℃，压制时间为1-2h；
制备内部韧性层时，内部韧性层中总体树脂的含量为30-60％。
本发明具有以下有益效果：
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，表面复合材料刚性层提供整体的刚度，陶瓷蜂窝阻隔层以六角形柱状陶瓷微筒采用粘合剂拼接在中间复合材料刚性连接层的表面，陶瓷微筒为中空结构，中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料制备用以连接层背面的背弹面侧，采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成内部韧性层。整个插板首先制备背弹面的内部韧性层，之后以热固性粘合剂将热压制备的中间复合材料刚性连接层、陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体。
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板整体重量轻、刚度大，抵御弹丸后整体变形量小，防弹水平更稳定。
附图说明
图1为本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板的整体结构示意图，其中，1-表面复合材料刚性层，2-陶瓷蜂窝阻隔层，3-中间复合材料刚性连接层，4-内部韧性层。
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，本发明提供一种蜂窝阻隔结构防弹插板，如图1所示，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层1、陶瓷蜂窝阻隔层2、中间复合材料刚性连接层3和内部韧性层4，其中：
表面复合材料刚性层1为碳纤维织物结构浸渍热固性树脂固化形成，陶瓷蜂窝阻隔层2由单个六角形柱状陶瓷微筒拼接在所述中间复合材料刚性连接层的表面形成，中间复合材料刚性连接层3采用碳纤维二维编织织物预浸原料热压制备而成，内部韧性层4采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成。
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，表面复合材料刚性层提供整体的刚度，陶瓷蜂窝阻隔层以六角形柱状陶瓷微筒采用粘合剂拼接在中间复合材料刚性连接层的表面，陶瓷微筒为中空结构，中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料制备用以连接层背面的背弹面侧，采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成内部韧性层。整个插板首先制备背弹面的内部韧性层，之后以热固性粘合剂将热压制备的中间复合材料刚性连接层、陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体。
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板整体重量轻、刚度大，抵御弹丸后整体变形量小，防弹水平更稳定。
进一步的，中间复合材料刚性连接层3的厚度为1-4mm，内部韧性层4的厚度为3-5mm。
进一步的，表面复合材料刚性层1中碳纤维选用T300、T700、T800或T1000；
织物结构为平纹、斜纹或缎纹织物。
优选的，表面复合材料刚性层1中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂，其树脂含量优选为30-60％。
优选的，陶瓷蜂窝阻隔层2中陶瓷的材质选用氧化铝、碳化硅、氮化硼、碳化硼或氮化硅。
本发明中，陶瓷蜂窝阻隔层2中六角形柱状陶瓷微筒的高度优选为5-20mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚优选为1-3mm，六角形柱状陶瓷微筒的孔采用六角形状，孔对角线的最大长度根据防御弹丸的具体要求灵活选择。
作为本发明的一种改进，中间复合材料刚性连接层3中碳纤维为T300、T700、T800或T1000；
二维编织结构为平纹、斜纹或缎纹；
预浸原料的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂，预浸原料的总体树脂含量控制在30-60％范围内。
本发明中，中间复合材料刚性连接层3通过模压成型在内部韧性层外层，所用的压制最大压力为25MPa，其中，热压温度控制在120-160℃范围内，压制时间根据中间复合材料刚性连接层3的厚度灵活掌握。
作为本发明的又一改进，内部韧性层4中混杂纤维多维织物包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为UHMWPE纤维、芳纶纤维或PBO纤维，辅助纤维为T300、T700、T800或T1000；
混杂纤维多维织物采用二维织物结构或三维织物结构，三维织物结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构；
内部韧性层4中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和树脂。
另一方面，本发明还提供一种上述的述的蜂窝阻隔结构防弹插板的制备方法，包括以下步骤：
首先制备中间复合材料刚性连接层，然后制备内部韧性层，之后以热固性粘合剂将预先热压制备的中间复合材料刚性连接层以及陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成防弹插板整体，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa，固化成型的温度控制在120-160℃。
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板及其制备方法，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，表面复合材料刚性层提供整体的刚度，陶瓷蜂窝阻隔层以六角形柱状陶瓷微筒采用粘合剂拼接在中间复合材料刚性连接层的表面，陶瓷微筒为中空结构，中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料制备用以连接层背面的背弹面侧，采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成内部韧性层。整个插板首先制备背弹面的内部韧性层，之后以热固性粘合剂将热压制备的中间复合材料刚性连接层、陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体。
本发明的蜂窝阻隔结构防弹插板整体重量轻、刚度大，抵御弹丸后整体变形量小，防弹水平更稳定。
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：
选用T300碳纤维平纹织物，选用环氧树脂树脂为基体，中间复合材料刚性连接层以30％树脂含量制备厚度为4mm的中间复合材料刚性连接层，通过25MPa最大压力、120℃的热压温度模压成型制备，压制时间为1小时；
采用UHMWPE纤维为主体纤维，T300为辅助纤维，主体纤维与辅助纤维的比例为1:1，选用三维四向三维编织结构形成厚度为5mm的内部韧性层织物结构；
在内部韧性层织物制备完成后，表面叠层已经制备的中间复合材料刚性连接层，在中间复合材料刚性连接层表面拼接组装氧化铝材质的陶瓷蜂窝阻隔层，六角形柱状陶瓷微筒的高度在5mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚控制在1mm，六角形柱状陶瓷微筒的孔采用六角形状，孔对角线的最大长度为10mm；
最后在整体表面铺设T300碳纤维斜纹织物，最后整体以环氧树脂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体，其中真空度在-0.05MPa，固化成型温度在120℃，固化时间为1小时。
实施例2：
选用T700碳纤维缎纹织物，选用酚醛树脂为基体，中间复合材料刚性连接层以60％树脂含量制备厚度为4mm的中间复合材料刚性连接层，通过20MPa最大压力、160℃的热压温度模压成型制备，压制时间为2小时；
采用PBO纤维为主体纤维，T1000为辅助纤维，主体纤维与辅助纤维的比例为4:1，选用三维七向的三维编织结构形成厚度为3mm的内部韧性层织物结构；
在内部韧性层织物制备完成后，表面叠层已经制备的中间复合材料刚性连接层，在中间复合材料刚性连接层表面拼接组装碳化硅材质的陶瓷蜂窝阻隔层，六角形柱状陶瓷微筒的高度在10mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚控制在1mm，六角形柱状陶瓷微筒的孔采用六角形状，孔对角线的最大长度为5mm；
最后在整体表面铺设T700碳纤维缎纹织物，最后整体以环氧树脂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体，其中真空度在-0.1MPa，固化成型温度在127℃，固化时间为1小时。
实施例3：
选用T1000碳纤维缎纹织物，选用不饱和聚酯树脂为基体，中间复合材料刚性连接层以60％树脂含量制备厚度为1mm的中间复合材料刚性连接层，通过12MPa最大压力、120℃的热压温度模压成型制备，压制时间为1小时；
采用芳纶纤维为主体纤维，T800为辅助纤维，主体纤维与辅助纤维的比例为3:1，选用三维五向的三维编织结构形成厚度为4mm的内部韧性层织物结构；
在内部韧性层织物制备完成后，表面叠层已经制备的中间复合材料刚性连接层，在中间复合材料刚性连接层表面拼接组装氮化硅材质的陶瓷蜂窝阻隔层，六角形柱状陶瓷微筒的高度在10mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚控制在2mm，六角形柱状陶瓷微筒的孔采用六角形状，孔对角线的最大长度为4mm；
最后在整体表面铺设T1000碳纤维缎纹织物，最后整体以环氧树脂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体，其中真空度在-0.1MPa，固化成型温度在120℃，固化时间为1小时。
实施例4：
选用T1000碳纤维斜纹织物，选用环氧树脂树脂为基体，中间复合材料刚性连接层以40％树脂含量制备厚度为3mm的中间复合材料刚性连接层，通过19MPa最大压力、120℃的热压温度模压成型制备，压制时间为2小时；
采用UHMWPE纤维为主体纤维，T1000为辅助纤维，主体纤维与辅助纤维的比例为2:1，选用三维六向的三维编织结构形成厚度为3mm的内部韧性层织物结构；
在内部韧性层织物制备完成后，表面叠层已经制备的中间复合材料刚性连接层，在中间复合材料刚性连接层表面拼接组装碳化硼材质的陶瓷蜂窝阻隔层，六角形柱状陶瓷微筒的高度在12mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚控制在2.4mm，六角形柱状陶瓷微筒的孔采用六角形状，孔对角线的最大长度为11mm；
最后在整体表面铺设T300碳纤维平纹织物，最后整体以环氧树脂真空导入整体一次复合，热固化成型形成插板整体，其中真空度-0.1MPa，固化成型温度在120℃，固化时间为1小时。
在本发明中，制备方法的条件不同，得到的蜂窝阻隔结构防弹插板的性能会有不同，为更好地证明本发明的防弹性能，现构建如下对比例1：
对比例1：
取与实施例4中厚度相同的现有的氧化铝陶瓷板和聚乙烯纤维的叠层结构的防弹插板。
将实施例1-实施例4以及对比例1在相同条件下进行实弹测试，得到不同弹速下的凹陷深度(mm)，如表1所示：
表1
| 弹速，m/s | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 |
| 792 | 7.9 | 7.4 | 8.0 | 7.2 | 21 |
| 803 | 11.9 | 11.6 | 11.6 | 11.4 | 穿透 |
| 856 | 16.6 | 16.3 | 16.1 | 16.0 | 穿透 |
| 901 | 19.3 | 19.1 | 19.8 | 19.1 | 穿透 |
由表1可知，本发明的防弹插板与对比例1相比，在相同弹速下，其凹陷深度较小，抵御弹丸后变形较小，刚度较大，可有效缓士兵或警员的二次钝伤，本发明在弹速900m/s左右不会出现穿透问题。
另外，本发明中陶瓷蜂窝阻隔层的六角形柱状陶瓷微筒为中空结构，在防弹性能提高的前提下整体重量较轻。
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 (10)
1.一种蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，从迎弹面到背弹面依次包括表面复合材料刚性层、陶瓷蜂窝阻隔层、中间复合材料刚性连接层和内部韧性层，其中：
所述表面复合材料刚性层为碳纤维织物结构浸渍热固性树脂固化形成，所述陶瓷蜂窝阻隔层由单个六角形柱状陶瓷微筒拼接在所述中间复合材料刚性连接层的表面形成，所述中间复合材料刚性连接层采用碳纤维二维编织织物预浸原料热压制备而成，所述内部韧性层采用混杂纤维多维织物作为增强结构以热固性树脂为粘结剂形成。
2.根据权利要求1所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述中间复合材料刚性连接层的厚度为1-4mm，所述内部韧性层的厚度为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述表面复合材料刚性层中碳纤维选用T300、T700、T800或T1000；
织物结构为平纹、斜纹或缎纹织物。
4.根据权利要求3所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述表面复合材料刚性层中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
5.根据权利要求1所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述陶瓷蜂窝阻隔层中陶瓷的材质选用氧化铝、碳化硅、氮化硼、碳化硼或氮化硅。
6.根据权利要求5所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述陶瓷蜂窝阻隔层中六角形柱状陶瓷微筒的高度为5-20mm，六角形柱状陶瓷微筒的壁厚为1-3mm。
7.根据权利要求1所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述中间复合材料刚性连接层中碳纤维为T300、T700、T800或T1000；
二维编织结构为平纹、斜纹或缎纹；
预浸原料的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
8.根据权利要求1所述的蜂窝阻隔结构防弹插板，其特征在于，所述内部韧性层中混杂纤维多维织物包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为UHMWPE纤维、芳纶纤维或PBO纤维，辅助纤维为T300、T700、T800或T1000；
混杂纤维多维织物采用二维织物结构或三维织物结构，三维织物结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构；
所述内部韧性层中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和树脂。
9.一种权利要求1-8任一所述的蜂窝阻隔结构防弹插板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先制备中间复合材料刚性连接层，然后制备内部韧性层，之后以热固性粘合剂将预先热压制备的中间复合材料刚性连接层以及陶瓷蜂窝阻隔层拼接组装，最后在整体表面铺设二维纤维织物，最后整体以热固性粘合剂真空导入整体一次复合，热固化成型形成防弹插板整体，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa，固化成型的温度控制在120-160℃。
10.根据权利要求9所述的蜂窝阻隔结构防弹插板的制备方法，其特征在于，制备中间复合材料刚性连接层时，选用T300、T700、T800或T1000碳纤维织物结构，选用环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂为基体热压固化形成，其中，树脂含量为30-60％，热压的最大压力为25MPa，热压温度为120-160℃，压制时间为1-2h；
制备内部韧性层时，内部韧性层中总体树脂的含量为30-60％。
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