CN109141123B - 一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种约束陶瓷‑金属复合防弹装甲板及其制备方法，由多个约束陶瓷‑金属复合抗弹单元组成，每个约束陶瓷‑金属复合抗弹单元包含金属背板、金属约束板和陶瓷块，金属约束板和陶瓷块设置在金属背板上，陶瓷块设置在金属约束板内部，和金属约束板通过过盈配合进行装配连接。本发明约束陶瓷‑金属复合防弹装甲板在武装直升机、装甲车、舰船和坦克等多种防弹场合具有广阔的应用前景。

Description

一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷复合防弹装甲设计制备技术领域，具体涉及一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板及其制备方法。
背景技术
传统的陶瓷复合防弹板通常以脆性陶瓷作面板、以韧性金属做背板，相较于均质金属防弹板，具有更轻的质量与更强的防护能力。因此该类陶瓷防弹板在武装直升机、装甲车、船舶舰艇和坦克上有着广泛的应用。但这种双层陶瓷金属复合防弹板只是简单的层叠复合结构，在单发子弹撞击后，陶瓷面板会出现较大区域碎裂与损伤，陶瓷与背板粘接界面也会发生开裂和分层，这将导致复合防弹板失去继续抗弹的能力，因此其抗多发弹能力较差。
陶瓷复合装甲抗弹性能的影响因素包括各组分材料的性能、各组分材料的厚度、弹体的材料与形貌、陶瓷约束条件等。其中，对陶瓷约束条件进行合理设计是进一步提升陶瓷复合装甲抗弹性能的有效途径之一。当陶瓷被施加以变形约束或压缩预应力时，陶瓷强度会得到显著提升；同时，当子弹撞击陶瓷使其产生裂纹后，由于陶瓷被严格限定在特定约束区域，因此子弹前进必须耗散更大的能量以粉碎前端的陶瓷，于是陶瓷的抗弹性能得以充分发挥。另外，约束体还可限制裂纹在陶瓷内的扩展，使损伤限制在陶瓷的局部区域，提升装甲的抗多发性能。
现有施加约束的技术手段，常常需要在陶瓷前增加金属板，会大大减弱了防弹板的防弹效果。另外，其施加的压缩预应力大小不便于调控与设计，且现有手段操作复杂，成本昂贵。
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，提供一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板及其制备方法，将陶瓷与金属约束板通过过盈配合进行装配连接，对陶瓷施加可调控的压缩预应力，从而提升陶瓷力学性能并降低陶瓷弹击损伤程度，获得防护性能更强且可防护多发子弹打击的防弹装甲板。
本发明采用以下技术方案：
一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板，由多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元组成，每个约束陶瓷-金属复合抗弹单元包含金属背板、金属约束板和陶瓷块，金属约束板和陶瓷块设置在金属背板上，陶瓷块设置在金属约束板内部，和金属约束板通过过盈配合进行装配连接。
具体的，多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元中位于同一列的约束陶瓷-金属复合抗弹单元之间等距间隔设置，相邻列之间约束陶瓷-金属复合抗弹单元的中心对齐排布或交错排布。
具体的，约束陶瓷-金属复合防弹装甲板至少包括一个约束陶瓷-金属复合抗弹单元。
具体的，金属背板由钢、铝合金或钛合金制成，厚度为2～15mm。
具体的，金属约束板由钢或钛合金制成，厚度为2～15mm。
具体的，陶瓷块为圆柱形结构，由氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制备而成，厚度与金属约束板相同。
一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板的制备方法，首先在金属约束板上切割圆形孔；然后加热金属约束板，在圆形孔中填充直径大于圆孔初始直径的圆柱形陶瓷块，之后进行冷却；最后将金属背板上涂抹胶黏剂，与金属约束板和陶瓷的装配体进行粘接制成约束陶瓷-金属复合防弹装甲板。
具体的，包括以下步骤：
S1、在金属约束板上打圆形孔，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
S2、制备圆柱形结构的陶瓷块并研磨表面，使其表面粗糙度Ra≤3.2μm；
S3、将金属约束板放入马弗炉中，以10～50℃/min速度升高温度，待温度达到600～900℃时，保温1～3min；之后于马弗炉中将室温下的陶瓷块放入金属约束板高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使金属约束板与陶瓷块冷却，金属约束板在冷却过程中挤压陶瓷块；待马弗炉内温度降至室温后取出金属约束板与陶瓷块的装配体，即为约束陶瓷-金属复合板；
S4、采用金属清洗剂清洗金属背板，去除油污和锈迹；并利用毛刷或喷枪在金属背板的表面均匀涂抹胶黏剂，与步骤S3所得约束陶瓷-金属复合板进行粘接，胶黏剂固化后最终得到约束陶瓷-金属复合防弹装甲板。
进一步的，步骤S2中，陶瓷块直径大于金属约束板的圆孔直径，两者直径之差为0.05～1mm；陶瓷块的直径与金属约束板的圆孔直径的精度为0.01～0.05mm。
进一步的，步骤S4中，胶黏剂为环氧树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、聚苯乙烯胶黏剂、改性乙烯-醋酸乙烯共聚物胶黏剂、氯化聚丙烯胶黏剂中的任意一种。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开了一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板，陶瓷块设置在金属约束板内部，和金属约束板通过过盈配合进行装配连接，在装甲板中陶瓷受到金属约束体的约束作用与压缩预应力作用，更大程度发挥陶瓷的抗弹性能并降低陶瓷的损伤，具有优良的抗子弹侵彻和抗多次打击等特性。
进一步的，防弹装甲板可包含中心对齐或交错排布的多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元，装甲板与装甲板之间可通过焊接金属约束体与金属背板的方式进行连接，简单方便。
进一步的，金属约束板厚度与金属背板厚度为2～15mm，便于加工与设计，可针对不同防护等级进行厚度上的优化配比。
进一步的，陶瓷块采用圆柱形结构，直径、间距、陶瓷中的压缩预应力大小等均为可设计参数，以满足不同武器威胁的防护需求，陶瓷块厚度与金属约束板厚度相同，可使陶瓷中的压缩预应力均匀分布，也便于与金属背板进行连接。
本发明还公开了约束陶瓷-金属复合防弹装甲板的制备方法，通过加热金属约束板，填充陶瓷块的方法，实现陶瓷块与金属约束体之间的过盈装配。之后与金属背板进行胶接。该制备方法工艺简单，成本低廉，可制造各种规格尺寸的装甲板，适于规模化生产。
进一步的，陶瓷块的直径与金属约束板的圆孔直径的精度为0.01～0.05mm，可提升过盈装配质量，有利于对陶瓷中压缩预应力的大小进行评估。
综上所述，本发明约束陶瓷-金属复合防弹装甲板在武装直升机、装甲车、舰船和坦克等多种防弹场合具有广阔的应用前景。
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为一个约束陶瓷-金属复合抗弹单元的示意图；
图2为中心对齐排布的约束陶瓷＝金属复合防弹装甲板的示意图；
图3为交错排布的约束陶瓷-金属复合防弹装甲板的示意图；
图4为采用LS-Dyna软件数值仿真得到的，当直径7.62mm，长20mm的圆柱形钢弹以800m/s的速度垂直入射时，约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合防弹装甲板与其他均质防弹板所对应钢弹的速度-时间关系曲线图。
其中：1.金属背板；2.金属约束板；3.陶瓷块。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“一侧”、“一端”、“一边”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。
本发明提供了一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板，由多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元组成，约束陶瓷-金属复合抗弹单元包含金属背板1、金属约束板2、圆柱形陶瓷块3，金属约束板2和圆柱形陶瓷块3设置在金属背板1上，圆柱形陶瓷块3和金属约束板2通过过盈配合进行装配连接，得到约束陶瓷-金属复合抗弹单元。
当防弹板包含多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元时，同一列抗弹单元之间间隔均匀，相邻列之间的抗弹单元中心对齐排布或交错排布。
约束陶瓷-金属复合防弹装甲板至少包括一个约束陶瓷-金属复合抗弹单元。
金属背板1的材质为钢、铝合金或钛合金，厚度为2～15mm。
金属约束板2的材质为钢或钛合金，厚度为2～15mm。
圆柱形陶瓷块3的材质为氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼，厚度与金属约束板2保持一致。
本发明一种约束陶瓷-金属复合防弹装甲板及其制备方法，首先在金属约束板上切割圆形孔；然后加热金属约束板，在圆形孔中填充直径略大于圆孔初始直径的圆柱形陶瓷块，之后进行冷却；最后将金属背板上涂抹胶黏剂，与金属约束板和陶瓷进行粘接；具体步骤如下：
S1、采用激光线切割在金属约束板2上打圆形孔，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
S2、制备圆柱形陶瓷块3，研磨圆柱形陶瓷块3的表面使其表面粗糙度Ra≤3.2μm；
圆柱形陶瓷块3直径大于金属约束板2的圆孔直径，两者直径之差为0.05～1mm；为保证过盈装配的有效性，圆柱形陶瓷块3直径与金属约束板2的圆孔直径的精度为0.01～0.05mm。
S3、将金属约束板2放入马弗炉中，以10～50℃/min速度升高温度，待温度达到600～900℃时，保温1～3min；之后于马弗炉中将室温下的圆柱形陶瓷块3放入金属约束板2高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使金属约束板2与圆柱形陶瓷块3冷却，金属约束体2在冷却过程中挤压圆柱形陶瓷块3，产生压缩预应力；待马弗炉内温度降至室温后取出金属约束板2与圆柱形陶瓷块3的装配体，即为约束陶瓷-金属复合板；
陶瓷块中的压缩预应力大小可由金属约束板中的圆孔直径与间距及陶瓷块的直径进行调控。
S4、采用金属清洗剂清洗金属背板1，去除油污和锈迹；并利用毛刷或喷枪在金属背板1的表面均匀涂抹胶黏剂，与步骤S3所得约束陶瓷-金属复合板进行粘接，胶黏剂固化后最终得到约束陶瓷-金属复合防弹装甲板。
胶黏剂是环氧树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、聚苯乙烯胶黏剂、改性乙烯-醋酸乙烯共聚物胶黏剂、氯化聚丙烯胶黏剂中的任意一种。
本发明所述防弹板可实现对陶瓷材料的有效约束，制备工艺简单、成本低廉，相较于陶瓷本身具有更优的抗子弹侵彻、抗多次打击等特性，在武装直升机、装甲车、舰船等防弹领域具有广阔的应用前景。
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
参见图1；
(1)取一块长、宽、高分别为120mm、120mm、6mm的TC4钛合金板，采用激光切割在TC4钛合金板的中心切割一个直径为99.6mm的圆形孔，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(2)制备直径为100mm，高度为6mm的圆柱形碳化硼陶瓷块，研磨陶瓷块表面使其表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(3)将切割好TC4钛合金约束板放入马弗炉中，以25℃/min速度升高温度，待温度达到900℃时，保温2min；之后于马弗炉中将室温下的碳化硼陶瓷块放入TC4钛合金约束板高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使TC4钛合金约束板与碳化硼陶瓷块冷却，TC4钛合金约束板在冷却过程中挤压陶瓷，产生压缩预应力；待马弗炉内温度降至室温后取出TC4钛合金约束板与碳化硼陶瓷块的装配体，即为约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合板；
(4)采用金属清洗剂清洗厚度为6mm的TC4钛合金背板，去除油污和锈迹；并利用毛刷在TC4钛合金背板的表面均匀涂抹环氧树脂胶黏剂，与步骤(3)所得约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合板进行粘接，得到约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合防弹装甲板。
实施例2
参见图2；
(1)取一块长、宽、高分别为150mm、150mm、6mm的40CrNiMo钢板，采用线切割在40CrNiMo钢板上切割三行三列共9个直径为39.8mm的圆形孔，行与行之间中心对齐排布，圆形孔圆心间距为50mm，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(2)制备9个直径为40mm，高度为6mm的圆柱形碳化硅陶瓷块，研磨陶瓷块的表面使其表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(3)将切割好40CrNiMo钢约束板放入马弗炉中，以40℃/min速度升高温度，待温度达到850℃时，保温3min；之后于马弗炉中将室温下的9个碳化硅陶瓷块放入40CrNiMo钢约束板高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使40CrNiMo钢约束板与碳化硅陶瓷块冷却，40CrNiMo钢约束板在冷却过程中挤压陶瓷，产生压缩预应力；待马弗炉内温度降至室温后取出40CrNiMo钢约束板与碳化硅陶瓷块的装配体，即为约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合板；
(4)采用金属清洗剂清洗厚度为3mm的40CrNiMo钢背板，去除油污和锈迹；并利用毛刷在40CrNiMo钢背板的表面均匀涂抹环氧树脂胶黏剂，与步骤(3)所得约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合板进行粘接，得到约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合防弹装甲板。
实施例3
参见图3；
(1)取一块长、宽、高分别为150mm、150mm、6mm的40CrNiMo钢板，采用线切割在40CrNiMo钢板上切割三行三列共9个直径为39.8mm的圆形孔，行与行之间交错排布，圆形孔圆心间距为50mm，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(2)制备9个直径为40mm，高度为6mm的圆柱形碳化硅陶瓷块，研磨陶瓷块的表面使其表面粗糙度Ra≤3.2μm；
(3)将切割好40CrNiMo钢约束板放入马弗炉中，以40℃/min速度升高温度，待温度达到850℃时，保温3min；之后于马弗炉中将室温下的9个碳化硅陶瓷块放入40CrNiMo钢约束板高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使40CrNiMo钢约束板与碳化硅陶瓷块冷却，40CrNiMo钢约束板在冷却过程中挤压陶瓷，产生压缩预应力；待马弗炉内温度降至室温后取出40CrNiMo钢约束板与碳化硅陶瓷块的装配体，即为约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合板；(4)采用金属清洗剂清洗厚度为3mm的2024-T3铝背板，去除油污和锈迹；并利用毛刷在2024-T3铝背板的表面均匀涂抹环氧树脂胶黏剂，与步骤(3)所得约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合板进行粘接，得到约束碳化硅陶瓷-40CrNiMo复合防弹装甲板。
请参阅图4，经有限元仿真分析发现，在直径7.62mm、长20mm的圆柱形钢弹以800m/s的速度垂直入射时，约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合防弹装甲板与等质量40CrNiMO钢板、TC4钛合金板、碳化硼陶瓷板相比，约束碳化硼陶瓷-TC4钛合金复合防弹装甲板与子弹作用时间更长，可完全吸收子弹动能，其余均质板均被子弹击穿。
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 (2)

1.一种制备约束陶瓷-金属复合防弹装甲板的方法，其特征在于，首先在金属约束板上切割圆形孔；然后加热金属约束板，在圆形孔中填充直径大于圆孔初始直径的圆柱形陶瓷块，之后进行冷却；最后将金属背板上涂抹胶黏剂，与金属约束板和陶瓷的装配体进行粘接制成约束陶瓷-金属复合防弹装甲板，约束陶瓷-金属复合防弹装甲板，由多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元组成，多个约束陶瓷-金属复合抗弹单元中位于同一列的约束陶瓷-金属复合抗弹单元之间等距间隔设置，相邻列之间约束陶瓷-金属复合抗弹单元的中心对齐排布或交错排布，每个约束陶瓷-金属复合抗弹单元包含金属背板(1)、金属约束板(2)和陶瓷块(3)，金属约束板(2)和陶瓷块(3)设置在金属背板(1)上，陶瓷块(3)设置在金属约束板(2)内部，和金属约束板(2)通过过盈配合进行装配连接，金属背板(1)由钢、铝合金或钛合金制成，厚度为2～15mm，金属约束板(2)由钢或钛合金制成，厚度为2～15mm，约束陶瓷-金属复合防弹装甲板至少包括一个约束陶瓷-金属复合抗弹单元，陶瓷块(3)为圆柱形结构，由氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制备而成，厚度与金属约束板(2)相同，包括以下步骤：
S1、在金属约束板(2)上打圆形孔，切割过程控制内孔表面粗糙度Ra≤3.2μm；
S2、制备圆柱形结构的陶瓷块(3)并研磨表面，使其表面粗糙度Ra≤3.2μm，陶瓷块(3)直径大于金属约束板(2)的圆孔直径，两者直径之差为0.05～1mm；陶瓷块(3)的直径与金属约束板(2)的圆孔直径的精度为0.01～0.05mm；
S3、将金属约束板(2)放入马弗炉中，以10～50℃/min速度升高温度，待温度达到600～900℃时，保温1～3min；之后于马弗炉中将室温下的陶瓷块(3)放入金属约束板(2)高温膨胀后的圆形孔洞中；关闭马弗炉，使金属约束板(2)与陶瓷块(3)冷却，金属约束板(2)在冷却过程中挤压陶瓷块(3)；待马弗炉内温度降至室温后取出金属约束板(2)与陶瓷块(3)的装配体，即为约束陶瓷-金属复合板；
S4、采用金属清洗剂清洗金属背板(1)，去除油污和锈迹；并利用毛刷或喷枪在金属背板(1)的表面均匀涂抹胶黏剂，与步骤S3所得约束陶瓷-金属复合板进行粘接，胶黏剂固化后最终得到约束陶瓷-金属复合防弹装甲板。
2.根据权利要求1所述的一种制备 约束陶瓷-金属复合防弹装甲板的方法，其特征在于，步骤S4中，胶黏剂为环氧树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、聚苯乙烯胶黏剂、改性乙烯-醋酸乙烯共聚物胶黏剂、氯化聚丙烯胶黏剂中的任意一种。
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