CN109334160B - 一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法，将多层非晶合金结构是通过高分子聚合物如橡胶或ETBN增韧环氧树脂将非晶带材粘结而成。因为使用了非晶合金层，具有高强和高弹性的特点，提高了防御贯穿能力；因为使用了高分子聚合物层，其具有密度低、粘弹性好等特点，有一定的吸能和阻尼作用，改善了整体结构的塑性，多层结构具有轻质和和韧性好的特点；因为采用了软硬交替、上下交错编织、多层结构设计，可以进一步提高吸能效果，提高了防御非贯穿性损伤能力。多层非晶合金结构同时具备了轻、柔、安全防御三重功效，机动性高，且工艺简单、造价低廉，拥有广泛的适用范围及良好的应用前景。

Description

一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法
技术领域
本发明涉及防护装备领域，具体涉及一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法。
背景技术
对于防护装备，不仅需要具备防弹、防破片、防刺和抗冲击的能力，还需要避免防弹衣发生较大变形而导致的非贯穿损伤。在保证防御效果的前提下提高柔性、降低重量也是提高机动性和便于运输的重要因素。目前的防护装备主要可分为三类：(1)软质防护装备，(2)硬质防护装备，(3)复合防护装备。软质防护装备，轻巧、舒适性好，但被子弹击中后变形大，易产生非贯穿性损伤，且对刀具的穿刺不能起到有效防护作用；硬质防护装备主要用特种钢、铝合金、硬质陶瓷等作防弹材料，这类防护装备尽管可以抵挡子弹、炮弹和刀具，但着装笨重，不舒适，而且采用硬质陶瓷，将会产生大量碎片，可能产生二次伤害；复合防护装备是当今各国主要研制的方向，即利用变形模量大的硬质钢板、陶瓷和软质的纤维织物组合，但目前的复合防护装备多为装块防护插板，不符合人体、坦克以及装甲车等的结构设计，不便于行动作战，而且无法做到对人体、坦克以及装甲车等的全方位防护。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法，具有轻质、高强、高弹性、韧性好以及优异的防护效果等特点。
为了达到上述目的，一种多层非晶合金结构包括若干层非晶合金，相邻层的非晶合金间通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接。
非晶合金采用钛基、锆基和铁基的非晶合金。
一种采用多层非晶合金结构的防护装备的编织方法，包括以下步骤：
步骤一，将若干层非晶合金通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接，制成多层非晶合金条带；
步骤二，将若干个多层非晶合金条带编织成所需形状，形成保护带；
步骤三，将若干保护带多层叠加，形成防护装备。
步骤一中，非晶合金的层数大于10层。
步骤二中，将多层非晶合金条带上下交错编织成保护带，每个保护带边缘的多层非晶合金条带采用不同的宽度。
防护装备能够叠加设置。
与现有技术相比，本发明多层非晶合金结构是通过高分子聚合物如橡胶或ETBN增韧环氧树脂将非晶带材粘结而成。因为使用了非晶合金层，具有高强和高弹性的特点，提高了防御贯穿能力；因为使用了高分子聚合物层，其具有密度低、粘弹性好等特点，有一定的吸能和阻尼作用，改善了整体结构的塑性，多层结构具有轻质和和韧性好的特点；因为采用了软硬交替、上下交错编织、多层结构设计，可以进一步提高吸能效果，提高了防御非贯穿性损伤能力。多层非晶合金条带具有轻质、高强、高弹性、韧性好以及优异的防护效果等特点。
本发明所制备的防护装备是通过将不同宽度的多层非晶合金条带进行编织，提高了防御非贯穿性损伤能力、透气性、整体柔韧性以及舒适性。并且根据实际使用需求，可以编织成不同的形状，以便对装甲车、坦克以及人体做到全方位有效防护。
进一步的，本发明中每个保护带边缘的多层非晶合金条带采用不同的宽度，能够覆盖多层非晶合金条带间的缝隙。
附图说明
图1为本发明中多层非晶合金结构的结构示意图；
图2为本发明中保护带的结构示意图；
图3为本发明中保护带多层叠加设置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种多层非晶合金结构包括若干层非晶合金，相邻层的非晶合金间通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接。非晶合金采用钛基、锆基和铁基非晶合金。
图1中，A表示非晶合金层，C表示高分子聚合物层，W表示多层非晶合金条带的宽度，B1表示多层非晶合金中非晶带材层的厚度，B2表示多层非晶合金中高分子聚合物层的厚度，B＝nB1+(n-1)B2表示多层非晶合金条带的整体厚度，L表示多层非晶合金条带的长度。
一种采用多层非晶合金结构的防护装备的编织方法，包括以下步骤：
步骤一，将若干层非晶合金通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接，制成多层非晶合金条带，非晶合金的层数大于10层，在层数低于10层时，多层非晶合金条带的等效杨氏模量会有明显的降低，当层数大于10层以后，多层非晶合金条带的等效杨氏模量会趋于稳定；
步骤二，将若干个多层非晶合金条带编织成所需形状，形成保护带，非晶合金条带可以使用不同的宽度，可以有效地避免叠加后产生的缝隙；
步骤三，将若干保护带多层叠加，形成防护装备。
编织的具体方法如下：
第一步，将多层非晶合金条带上下交错编织形成保护带；
第二步，每个保护带边缘的多层非晶合金条带使用不同的宽度，可避免步骤三中叠加后的缝隙重叠。
非晶合金是快速冷却金属液体获得的非晶固体，内部没有位错、晶界等缺陷，从而具有一系列不同于传统晶体材料的优异物理、化学和力学性能，如高强度、高弹性、耐腐蚀、耐摩擦等特点。
采用本发明所提出的采用多层非晶合金结构的防护装备，兼顾轻、柔、安全防御三重功效。
轻质、高强：目前特种钢板的强度最高可达1.6GPa，高强铝合金板的强度最高可达900MPa，而非晶合金的强度远高于传统晶体金属材料，如Co基非晶合金强度最高可达6.0GPa；非晶合金的密度也低于相同组分晶体金属的密度；加上所述多层非晶合金中大量使用了高分子聚合物，所以与相同体积的传统防护装备相比，上述非晶合金防护装备重量起码降低50％以上，同时高强、高弹性、韧性好，提高了防御贯穿能力；采用了多层结构的设计，防护效果会更好。综上所述，与相同体积的传统防护装备相比，本发明所述防护装备更轻，防护效果更好。
柔韧性好：用橡胶或ETBN增韧环氧树脂将非晶带材粘结成的多层非晶合金条带具有很好的柔韧性，可以编织得到任何形状，对任何关键部位进行有效防护。与传统防护装备相比，本发明所述防护装备防御非贯穿性损伤能力更强、更加舒适、透气性更好，在保证防御效果的前提下降低重量，增加柔性，提高机动性，便于运输。
防护装备能够叠加设置，增加整体强度，而且这种多层非晶合金以及保护带的多层叠加的结构设计在承受冲击载荷时可以反复激活能量耗散过程，以获得更好的防护效果，拥有广泛的适用范围。
传统金属材料的弹性极限仅为0.065％，而钛基非晶合金Ti45Cu25Ni15Sn3Be7Zr5的弹性极限为1.8％，本发明采用钛基非晶合金和橡胶或者ETBN增韧环氧树脂粘结而成的多层结构设计，在10层以内可以有效降低材料的等效杨氏模量，10层以后等效杨氏模量趋于稳定，可进一步提高多层结构整体的弹性；所述钛基非晶合金的厚度在微纳米量级；采用条带编织的方法，可使本发明所述防护装备的防御非贯穿性损伤能力和柔性远高于目前特种钢板制作的防护装备。
材料的吸能性可以用其在变形过程中单位体积内吸收的能量来表示，即
Figure BDA0001796278370000051
式中Ea表示单位体积材料的能量吸收，ε表示材料的应变，σ表示材料的强度。
可见影响材料能量吸收能力的因素是强度和变形量，而对于防护装备，如防弹衣，如果变形过大会对人体造成非贯穿性损伤，所以要提高防护装备的能量吸收能力，更重要的是提高材料的强度。本发明采用钛基非晶合金制作防护装备，例如Ti45Cu25Ni15Sn3Be7Zr5的强度为2480MPa，密度只有5.5g/cm3，而目前防护装备所用的特种钢的强度最高为1600MPa，密度为8.5g/cm3。所以用钛基非晶合金制作的防护装备，在相同防护效果的情况下，重量可以降低57％；在相同重量的情况下，防护能力可以提高1.3倍。
对于材料的能量耗散，并不是所有材料都参与了能量耗散过程，L*表示参与能量耗散过程的特征尺寸，定义为从受力点到对材料耗散能量贡献为1％处之间的距离，对于不同材料，特征尺寸不同，但都在微纳米量级，所以本发明中的钛基非晶合金以及橡胶或ETBN增韧环氧树脂层的厚度必须在微纳米量级，这种软硬交替的多层结构之间存在能量的透射和反射，可以反复激活能量的耗散过程，大大提高所述防护装备的防护效果。

Claims (3)

1.一种多层非晶合金结构的防护装备的编织方法，其特征在于，多层非晶合金结构包括至少10层非晶合金，相邻层的非晶合金间通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接，非晶合金、橡胶和ETBN增韧环氧树脂的厚度均为微纳米量级，非晶合金采用钛基、锆基和铁基的非晶合金；
编制方法包括以下步骤：
步骤一，将若干层非晶合金通过橡胶或ETBN增韧环氧树脂粘接，制成多层非晶合金条带；
步骤二，将若干个多层非晶合金条带编织成所需形状，形成保护带；编织将多层非晶合金条带上下交错编织成保护带，每个保护带边缘的多层非晶合金条带采用不同的宽度；
步骤三，将若干保护带多层叠加，形成防护装备。
2.根据权利要求1所述的一种采用多层非晶合金结构的防护装备的编织方法，其特征在于，步骤一中，非晶合金的层数大于10层。
3.根据权利要求1所述的一种采用多层非晶合金结构的防护装备的编织方法，其特征在于，防护装备能够多层叠加设置。
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