CN108749043A - 一种轻质封装复合装甲及其制造工艺 - Google Patents

一种轻质封装复合装甲及其制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质封装复合装甲及其制造工艺，该轻质封装复合装甲结构以金属、陶瓷及金属陶瓷复合结构等结构作为内装甲，以超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料作为外封装，采用双股纤维预浸料交替正交缠绕包裹封装内装甲，并置于模具中热压成型的一体成型工艺。本发明通过超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料封装内装甲，在面密度无明显增加的情况下，有效提升装甲防弹性能。同时，可根据防护对象、防护等级选择不同内装甲，利于多种防弹机理的协同作用捕获弹丸。采用双股交替正交缠绕封装后一体热压成型的制备方法，工艺简单且成本低廉，易于对不同规格尺寸的轻质复合装甲进行规模化生产。

Description

一种轻质封装复合装甲及其制造工艺
技术领域
本发明属于轻质防弹装甲设计技术领域，具体涉及一种轻质封装复合装甲及其制造工艺。
背景技术
目前，由于均质钢装甲的钢层厚、质量重，严重影响了运输设备的机动性和运行能力；而反应装甲在发挥作用时会对运输设备内外的人员或设备带来附加损伤，并会产生噪声，且其结构复杂，可靠性较差，成本也较高。因此轻质、高强度、无噪声、成本低以及结构简单可靠的复合装甲已成为未来装甲的主要发展方向。复合装甲多为陶瓷/金属及陶瓷/复合材料等双层或多层结构。此类结构在满足防弹要求的情况下，具有面密度较大的缺点。在有限面密度的约束条件下，提高防护装甲的极限速度有着非常重要的现实意义和需求。
复合装甲通过多种防弹机理捕获弹丸，同时，不同的防弹机理对应不同的材料选择与结构设计，如：硬质材料使弹丸变形与破碎，高强度韧性材料通过塑性变形吸能降低弹丸速度，以及高拉伸强度、高断裂应变、高模量、低密度材料作为防碎层捕捉弹丸与靶板碎片等。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维拉伸强度接近4GPa，弹性模量200GPa，密度为0.97g/cm3，这使其在航海、车辆及防弹等诸多民用和国防重要工业领域得到了广泛的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种轻质封装复合装甲及其制造工艺，将超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料引入复合装甲的设计中，实现热压一体成型的轻质高性能封装复合装甲及其制造工艺。
本发明采用以下技术方案：
一种轻质封装复合装甲，包括内装甲和外封装，内装甲以金属、陶瓷或金属-陶瓷复合结构制成，包裹在外封装的内部。
具体的，外封装为双股超高分子量聚乙烯纤维预浸料，双股超高分子量聚乙烯纤维预浸料交替正交缠绕在内装甲的外部。
进一步的，内装甲的边缘倒角为1～3mm。
一种轻质封装复合装甲制造工艺，包括以下步骤：
S1、制备长为l，宽为w，厚度为h的内装甲，并清洗去除表面油污和锈迹，边缘做倒角处理；
S2、沿纤维分布平行/垂直方向裁剪两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料，长度和宽度分别为l和w；
S3、使用步骤S2制备的两卷超高分子量聚乙烯预浸料对步骤S1制备的内装甲封装制成工件，每卷预浸料的外层纤维方向平行/垂直于内装甲边缘；
S4、通过模具预热、加热加压、保温保压、冷却保压和卸载出模将步骤S3制备的工件热压固化成型，得到封装复合装甲。
具体的，步骤S1中，内装甲的边缘倒角为1～3mm。
具体的，步骤S2中，超高分子量聚乙烯预浸料为[(90/0)2(90/0)2]N。
具体的，步骤S3中，封装方式为双股交替正交缠绕封装N圈。
进一步的，N大于等于6。
具体的，步骤S4中，预热上下热压成型模具至100～120℃；放入工件，合模不加压力，保持温度10～15min；设定加热温度为125～135℃，压力增加至16.5～20.6MPa，保持温度与压力20～30min；停止加热，保压自然冷却，当工件温度低于60℃时，卸载出模。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种轻质封装复合装甲，通过超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料封装内装甲，在面密度无明显增加的情况下，有效提升装甲防弹性能，同时，可根据防护对象、防护等级选择不同内装甲，利于多种防弹机理的协同作用捕获弹丸。
进一步的，采用双股交替正交缠绕封装后一体热压成型的制备方法，工艺简单且成本低廉，易于对不同规格尺寸的轻质复合装甲进行规模化生产。
本发明还公开了一种轻质封装复合装甲制造工艺，通过超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料封装内装甲，在面密度无明显增加的情况下，有效提升装甲防弹性能。同时，可根据防护对象、防护等级选择不同内装甲，利于多种防弹机理的协同作用捕获弹丸。采用交替正交缠绕封装后一体热压成型的制备方法，易于对不同规格尺寸的轻质复合装甲进行规模化生产。该制备方法过程简单，工艺成熟，可进行批量生产。
进一步的，步骤S1中所述内装甲边缘倒角取1～3mm，防止外封装受内装甲边缘剪切作用提前失效，无法充分变形吸能。
进一步的，超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料可通过大变形吸收能量，正交堆叠热压成型([(90/0)2(90/0)2]N)较一定角度的堆叠成型可获得更优异的抗弹性能。
综上所述，本发明方法过程简单，工艺成熟，可批量生产，制备的轻质封装复合装甲较未封装装甲质量增加约23％，极限速度可提升约50～76％，在提升装甲抗弹性能方面具有明显优势。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的轻质封装复合装甲；
图2为本发明的双股交替正交缠绕封装形式；
图3为本发明的热压成型模具；
图4为本发明金属板、陶瓷/金属双层板抗弹性能对比示意图。
其中：1.内装甲；2.超高分子量聚乙烯纤维预浸料；3.外封装；4.电阻丝；5.温度传感器；6.冷却水管。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供了一种轻质封装复合装甲，采用超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料作为外封装3，以金属、陶瓷及金属-陶瓷复合结构作为内装甲1，外封装3为双股超高分子量聚乙烯纤维预浸料2，对内装甲1交替正交缠绕封装，后置于模具中热压成型。
本发明还公开了一种制备所述轻质封装复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备长为l，宽为w，厚度为h的内装甲1，并清洗去除其表面的油污和锈迹，边缘做倒角处理；
内装甲1的边缘倒角为1～3mm。
优选的，内装甲1的材质为金属板、陶瓷/金属双层结构、三明治陶瓷复合结构。
S2、沿纤维分布平行/垂直方向裁剪两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料2，宽度和内装甲适配，分别为l和w；
S3、使用步骤S2制备的两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料2，对步骤S1制备的内装甲1交替正交缠绕封装N圈，每卷预浸料的外层纤维方向平行/垂直于内装甲边缘，内装甲l×w面外侧的超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料为[(90/0)2(90/0)2]N；
N大于等于6即可。在整体装甲面密度较小并针对穿甲弹丸时，圈数需要小一些，因为外部封装和内装甲总质量要求是一定的。
S4、配合适当模具，通过模具预热、加热加压、保温保压、冷却保压、卸载出模五步工艺使将步骤S3制备的所述工件热压固化成型，得到封装复合装甲。
预热上下热压成型模具至100～120℃，放入工件，合模不加压力，保持温度10～15min，保温保压阶段需保持温度为125～135℃，优选127℃，压力增加至16.5～20.6MPa，保持温度与压力20～30min停止加热，保压自然冷却，冷却保压阶段需停止加热，待工件温度小于60℃时卸载出模。
经实验研究发现，封装复合装甲在弹丸撞击下，较未封装装甲质量增加约23％，极限速度可提升约50～76％，在提升装甲抗弹性能方面具有明显优势。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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：
1)线切割得到长宽均为140mm，厚度为30mm的6061-T6铝合金板料，边缘倒角为1mm，清洗去除油污和锈迹后，放入烘干机内烘干，作为内装甲1备用；
2)沿纤维分布平行/垂直方向裁剪，得到宽度为140mm的两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料，交替正交缠绕封装内装甲各6圈，每卷预浸料的外层纤维方向平行/垂直于内装甲边缘，内装甲140mm边长平面外侧的超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料为[(90/0)2(90/0)2]11。
交替正交缠绕封装过程，不施加额外应力。
3)控制电阻丝4预热上下热压成型模具至100℃，约10min；放入工件，合模不加压力，保持温度约10min；设定加热温度125℃，压力增加至16.5MPa，保持温度与压力20min；停止加热，冷却水管6通水冷却，压力仍保持16.5MPa，当温度传感器5检测工件温度小于60℃时，卸载出模，得到以铝合金板作为内装甲的封装复合装甲，如图3所示。
实施例2：
1)通过金属挤压成型工艺，并加以切割，得到长宽均为350mm的6063-T6铝合金材质的波纹三明治板。其前面板厚度3.2mm，后面板厚度4.2mm，芯体厚度为1mm，芯体高度8mm。
2)通过粉体干压成型，无压烧结，磨削加工等系列工艺，制得碳化硼陶瓷三棱柱备用。陶瓷柱长52mm，宽11.4mm，厚6.8mm。
3)去除所述三明治板芯体孔隙杂质，并对其清洗去除油污和锈迹后，将陶瓷条填塞至三明治板孔隙中，灌入环氧树脂填充剩余空间，常温固化，得到波纹三明治板填充陶瓷条复合结构作为内装甲。
所使用胶粘剂为武汉双键开姆密封材料有限公司，DB8180结构胶。
4)沿纤维分布平行/垂直方向裁剪，得到宽度为350mm的两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料。
5)用砂轮去除3)所述内装甲边缘多余环氧树脂后，清洗去除其表面的油污和锈迹，并对边缘做3mm倒角处理，使用4)中所述两卷预浸料，交替正交缠绕封装内装甲各11圈，每卷预浸料的外层纤维方向平行/垂直于内装甲边缘，内装甲350mm边长平面外侧的超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料为[(90/0)2(90/0)2]11。
所述交替正交缠绕封装内装甲各11圈过程，每圈均拉紧至预浸料层间贴合无缝隙。
6)控制电阻丝4预热上下热压成型模具至120℃，约15min；放入工件，合模不加压力，保持温度约15min；设定加热温度135℃，压力增加至20.6MPa，保持温度与压力30min；停止加热，冷却水管6通水冷却，压力仍保持20.6MPa，当温度传感器5检测工件温度小于60℃时，卸载出模，得到以陶瓷填充波纹夹芯板复合结构作为内装甲的封装复合装甲，如图3所示。
实验研究发现，根据内装甲的不同，轻质封装复合装甲对比无封装装甲极限速度均有明显提升，且该结构相较于不同内装甲具有明显的协同增强效应，在装甲抗侵彻性能上有明显优势。
请参阅图4，为金属板、陶瓷/金属双层板两种内装甲的抗弹性能对比，内装甲选用铝板及陶瓷/金属双层板，封装装甲面密度增加约23％，极限速度可分别提升近50％及76％，阴影部分为不同内装甲下，等面密度装甲抗侵彻性能的差异。其面积的扩大，表示封装复合装甲的内外协耦合增强效应。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质封装复合装甲，其特征在于，包括内装甲(1)和外封装(3)，内装甲(1)以金属、陶瓷或金属-陶瓷复合结构制成，包裹在外封装(3)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种轻质封装复合装甲，其特征在于，外封装(3)为双股超高分子量聚乙烯纤维预浸料(2)，双股超高分子量聚乙烯纤维预浸料(2)交替正交缠绕在内装甲(1)的外部。
3.根据权利要求1或2所述的一种轻质封装复合装甲，其特征在于，内装甲(1)的边缘倒角为1～3mm。
4.一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备长为l，宽为w，厚度为h的内装甲(1)，并清洗去除表面油污和锈迹，边缘做倒角处理；
S2、沿纤维分布平行/垂直方向裁剪两卷超高分子量聚乙烯纤维预浸料(2)，长度和宽度分别为l和w；
S3、使用步骤S2制备的两卷超高分子量聚乙烯预浸料(2)对步骤S1制备的内装甲(1)封装制成工件，每卷预浸料的外层纤维方向平行/垂直于内装甲边缘；
S4、通过模具预热、加热加压、保温保压、冷却保压和卸载出模将步骤S3制备的工件热压固化成型，得到封装复合装甲。
5.根据权利要求4所述的一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，步骤S1中，内装甲(1)的边缘倒角为1～3mm。
6.根据权利要求4所述的一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，步骤S2中，超高分子量聚乙烯预浸料(2)为[(90/0)2(90/0)2]N。
7.根据权利要求4所述的一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，步骤S3中，封装方式为双股交替正交缠绕封装N圈。
8.根据权利要求7所述的一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，N大于等于6。
9.根据权利要求4所述的一种轻质封装复合装甲制造工艺，其特征在于，步骤S4中，预热上下热压成型模具至100～120℃；放入工件，合模不加压力，保持温度10～15min；设定加热温度为125～135℃，压力增加至16.5～20.6MPa，保持温度与压力20～30min；停止加热，保压自然冷却，当工件温度低于60℃时，卸载出模。
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