CN110108163A - 一种结构自约束陶瓷面板及其排布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结构自约束陶瓷面板，由若干个呈正六边形的单元陶瓷块组成，其特征在于：所述结构自约束陶瓷面板中心设置有一个单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列，该第0层陶瓷块阵列的外周套设有第1层陶瓷块阵列，以此类推，第(n‑1)层陶瓷块阵列的外周套设有第n层陶瓷块阵列,所述第n层陶瓷块阵列呈中心对称，由6*n个单元陶瓷块依次相接排列而成，且相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，所述第(n‑1)层陶瓷块阵列的外侧壁和第n层陶瓷块阵列的内侧壁紧密贴合，其中，n为大于1的自然数。与现有技术相比，本发明的优点在于：结构简单、防弹性能优秀。
Description
技术领域
本发明涉及装甲防护技术领域，具体指一种结构自约束陶瓷面板及其排布方法。
背景技术
陶瓷材料由于具有低密度、高硬度、高抗压强度等优点，在装甲材料领域越来越受重视，主要用作复合装甲。陶瓷装甲的抗弹机理与金属装甲不同。在受到弹丸高速撞击时，它不像金属装甲可以发生塑性变形，而是靠自身的碎裂耗散大部分弹丸能量；并且，面板陶瓷破坏会形成倒锥从而作用于背板，背板将通过变形吸收剩余的能量；同时，使弹丸自身发生破碎，在此过程中不仅弹头破碎时损耗较多的能量，而且弹头碎块可将高度集中的能量予以分散，从而大幅提高了抗弹性能。
影响陶瓷装甲的抗弹性能因素很多，主要可以归结为陶瓷材料性能、陶瓷面板的形状和尺寸、陶瓷复合装甲的结构形式等几个方面。其中，陶瓷的形状和尺寸对抗弹性能有较大的影响，设计合理的陶瓷形状和尺寸非常重要，组合陶瓷面板的单块陶瓷，要有合理的几何形状和尺寸相匹配。目前，国外主要采用的陶瓷形状有正方形、正六边形和圆形，就单块而言，圆形抗弹能力较好，正六边形和正四方形次之。但是，如专利申请号为CN201810103292.X(公告号为CN108164254A)的发明专利《一种具有环状结构的防弹陶瓷片、防弹靶板及其制备方法》公开的具有环状结构的防弹陶瓷片，多块拼接时圆形陶瓷材料的复合间隙太大；正方形材料由于直通缝多，直通缝处的抗弹性能较差。这是由于弹着点到陶瓷面板边缘的距离小于5mm时，不能形成陶瓷锥，从而导致靶板的抗弹能力急剧下降。综合考虑陶瓷的尺寸效应、形状效应、复合间隙等诸多因素的影响，正六边形形状效应好，拼接间隙小。因此，在陶瓷装甲的实际应用中大多选取正六边形结构。
此外，提高各个陶瓷块之间紧密约束程度对进一步改善陶瓷装甲的抗弹性能极为有利。通常情况下，紧密约束陶瓷靶板的防护系数可增大15～20％以上。这是由于陶瓷是脆性材料，它的破坏是断裂而非塑性变形。当弹丸高速撞击靶板时，冲击表面形成破裂锥体，并延伸到陶瓷靶板和背板的界面处。在冲击后瞬时，陶瓷背面弹着点中心处形成裂纹，在冲击中心的背板上出现最大应力，也正是在这里出现了最大压缩背板受压，放松了对陶瓷层的支承，使陶瓷中的压应力变为拉应力，轴心裂纹继续朝弹丸撞击方向发展。随着锥形体内裂纹的聚结，最后陶瓷出现全面的破碎。若不加约束，由于应力波传播速度和裂纹扩展速度都远大于弹丸侵彻速度，当弹丸尚未穿透时，靶板中的陶瓷早已全面破碎而飞溅散开，不能对弹丸起进一步的阻挡作用，会丧失防护能力。反之，由于陶瓷靶板外加紧约束，即使在高冲击压缩应力波和拉伸应力波作用下发生了断裂，但陶瓷各断块之间却还挤压得极为紧密。只有裂纹而无扩容，当弹丸进一步侵彻靶板时，没有间隙出现为弹丸让道，于是弹丸需要消耗更大能量来继续粉碎前端的陶瓷，这种反复粉碎直至弹丸前端陶瓷形成粉化区域后，弹丸需将粉体沿侵彻的相反方向挤出后才能前进。
关于陶瓷块的约束方法，大多试验中常用的是周围做成金属框，对陶瓷进行紧约束，如专利申请号为CN200510086629.3(公告号为CN1746609A)的发明专利《一种钢蜂窝陶瓷夹芯复合防弹装甲板及其制备方法》公开了一种钢蜂窝陶瓷夹芯复合防弹装甲板，复合防弹装甲板由金属面板、蜂窝芯板、陶瓷芯片、金属背板通过有机胶粘层和金属钎焊层粘结在一起构成。这种方法试验效果较好，也能达到提高防护性能的目的，但在工程应用中有它的局限性。首先，约束金属框必须同陶瓷同厚度才能保证陶瓷层同其他防护层的紧密粘合，但金属同陶瓷的防弹机理显著不同，所以金属框所占的这部分面积是不可能实现陶瓷层的防护功能，对于防弹来讲属于薄弱环节；另外，受实际工程应用的限制，每一个复合装甲防护单元，都是根据具体的防护部位而形状各异，但最后都是装在各自固定尺寸的防护盒中，所以约束金属框的横向尺寸就受到限制，太薄起不到约束作用，太厚又影响单元安装。现有工程应用中的防护盒本身结构尺寸通常都较为单薄，往往对陶瓷起不到相应的约束作用。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种结构简单、防护性能优秀的结构自约束陶瓷面板。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述结构自约束陶瓷面板的排布方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种结构自约束陶瓷面板，由若干个呈正六边形的单元陶瓷块组成，其特征在于：所述结构自约束陶瓷面板中心设置有一个单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列，该第0层陶瓷块阵列的外周套设有第1层陶瓷块阵列，以此类推，第(n-1)层陶瓷块阵列的外周套设有第n层陶瓷块阵列,所述第n层陶瓷块阵列呈中心对称，由6*n个单元陶瓷块依次相接排列而成，且相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，所述第(n-1)层陶瓷块阵列的外侧壁和第n层陶瓷块阵列的内侧壁紧密贴合，其中，n为大于1的自然数。
优选地，所述第n层陶瓷块阵列的相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁上分别设置有相互配合的第一限位块和第一限位槽，相邻单元陶瓷块通过将第一限位块插设到第一限位槽中进行连接，所述第一限位块和第一限位槽组成所述紧配合结构。
进一步，所述第一限位块的厚度与单元陶瓷块的厚度一致，方便加工和装配。
进一步，所述第一限位块位于单元陶瓷块侧壁的中点位置，从而使得受力均匀。
进一步，所述第一限位块呈外宽内窄结构，从而保证装配稳固。
再进一步，所述第一限位块的横截面设计成等腰梯形结构，所述横截面垂直于单元陶瓷块的轴线，结构简单。
优选地，所述第n层陶瓷块阵列的相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁上分别设置有第三限位槽和第四限位槽而形成容置区域，该容置区域内设置有第二限位块，相邻单元陶瓷块通过将第二限位块插设到容置区域中进行连接，所述第三限位槽、第四限位槽和第二限位块组成所述紧配合结构。
优选地，所述n为2～10。根据实际应用，一般陶瓷面板的面积在1m2左右，综合组装和应用效率，n一般选6或7。
优选地，所述单元陶瓷块的边长为70～100mm，厚度为10～50mm。陶瓷块太小影响组装效率，太大对防弹不利。厚度一般选10mm、20mm、30mm等，具体要根据防弹计算，考虑本身的烧结强度，厚度一般小于50mm。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：上述结构自约束陶瓷面板的排布方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)准备若干个呈正六边形的单元陶瓷块；
(2)先在中心放置一个单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列；
(3)在第0层陶瓷块阵列的外侧壁依次紧密贴合6个单元陶瓷块，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，记为第1层陶瓷块阵列；
(4)以此类推，在第(n-1)层陶瓷块阵列的外侧壁依次紧密贴合6*n个单元陶瓷块，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，记为第n层陶瓷块阵列，得到所需的结构自约束陶瓷面板。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的结构自约束陶瓷面板只需要通过紧配合结构对单元陶瓷块的部分侧壁进行装配，其他侧壁通过外层陶瓷块阵列套设在内层陶瓷块阵列外围的方式即可实现限位，既简单又能最大限度地保证优质迎弹面的面积，结构简单、防弹性能优秀。
附图说明
图1为本发明实施例1中结构自约束陶瓷面板的平面结构示意图；
图2为图1中第一单元陶瓷块的结构示意图；
图3为图1中第二单元陶瓷块的结构示意图；
图4为图1中第三单元陶瓷块的结构示意图；
图5为图1中第1层陶瓷块阵列的结构示意图；
图6为图1中第2层陶瓷块阵列的结构示意图；
图7为图1中第3层陶瓷块阵列的结构示意图；
图8为本发明实施例2中结构自约束陶瓷面板的平面结构示意图；
图9为图8中第二单元陶瓷块的结构示意图；
图10为图8中第三单元陶瓷块的结构示意图；
图11为图8中连接件的结构示意图；
图12为图8中第1层陶瓷块阵列的结构示意图；
图13为图8中第2层陶瓷块阵列的结构示意图；
图14为图8中第3层陶瓷块阵列的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1至图7所示，本实施例的结构自约束陶瓷面板由若干个呈正六边形的单元陶瓷块组成，单元陶瓷块分为3类：第一单元陶瓷块a、第二单元陶瓷块b和第三单元陶瓷块c，其边长L和厚度D均相同，L的值为70～100mm，D的值为10～50mm。陶瓷块太小影响组装效率，太大对防弹不利。厚度一般选10mm、20mm、30mm等，具体要根据防弹计算，考虑本身的烧结强度，厚度一般小于50mm。本实施例中L的值为70mm，D的值为10mm，选择该数据一是综合考虑防护性能和装配效率，二是作防护性能试验比较简洁。具体地，第二单元陶瓷块b的两个相隔的侧壁上分别设置第一凸起b1和第一凹槽b2，第三单元陶瓷块c的两个相对的侧壁上分别设置有第二凸起c1和第二凹槽c2，其中第一凸起b1与第一凹槽b2和第二凹槽c2相互配合，同样地，第二凸起c1与第一凹槽b2和第二凹槽c2相互配合。
结构自约束陶瓷面板中心设置有一个第一单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列，该第0层陶瓷块阵列的外周套设有第1层陶瓷块阵列，该第1层陶瓷块阵列的外周套设有第2层陶瓷块阵列，第2层陶瓷块阵列的外周套设有第3层陶瓷块阵列，第1层陶瓷块阵列、第2层陶瓷块阵列、第3层陶瓷块阵列均呈中心对称，内层陶瓷块阵列的外侧壁和外层陶瓷块阵列的内侧壁紧密贴合。
其中，第1层陶瓷块阵列由6个第二单元陶瓷块b依次相接排列而成，将后一个第二单元陶瓷块b的第一凸起b1插设到前一个第二单元陶瓷块b的第一凹槽b2中，可实现第二单元陶瓷块b之间的连接，组成第1层陶瓷块阵列。
第2层陶瓷块阵列由6个第二单元陶瓷块b和6个第三单元陶瓷块c按顺序相接排列而成，具体顺序为第二单元陶瓷块b和第三单元陶瓷块c轮换设置，将后一个单元陶瓷块的凸起插设到前一个单元陶瓷块凹槽中，组成第2层陶瓷块阵列。
第3层陶瓷块阵列由6个第二单元陶瓷块b和12个第三单元陶瓷块c按顺序相接排列而成，具体顺序为一个第二单元陶瓷块b和两个第三单元陶瓷块c轮换设置，将后一个单元陶瓷块的凸起插设到前一个单元陶瓷块凹槽中，组成第3层陶瓷块阵列。
为了方便加工和装配，第一凸起b1和第二凸起c1的厚度均与第一单元陶瓷块a的厚度一致。第一凸起b1和第二凸起c1的位置、尺寸可根据需求设置，本实施例中，第一凸起b1和第二凸起c1分别位于第二单元陶瓷块b和第三单元陶瓷块c侧壁的中点位置，从而使得受力均匀，另外，为了保证装配稳固，第一凸起b1和第二凸起c1均呈外宽内窄结构，具体地，其横截面设计成等腰梯形结构，上述横截面垂直于单元陶瓷块的轴线，结构简单，当然也可以设计成T字型等结构，达到相同的目的。
上述结构自约束陶瓷面板的排布方法如下；
(1)准备若干个第一单元陶瓷块a、第二单元陶瓷块b和第三单元陶瓷块c；
(2)先在中心放置一个第一单元陶瓷块a，记为第0层陶瓷块阵列；
(3)在第0层陶瓷块阵列的外侧壁依次紧密贴合6个第二单元陶瓷块b，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过凸起和凹槽的配合结构进行连接，记为第1层陶瓷块阵列；
(4)在第1层陶瓷块阵列的外侧壁按顺序紧密贴合6个第二单元陶瓷块b和6个第三单元陶瓷块c，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过凸起和凹槽的配合结构进行连接，记为第2层陶瓷块阵列；
(5)在第2层陶瓷块阵列的外侧壁按顺序紧密贴合6个第二单元陶瓷块b和12个第三单元陶瓷块c，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过凸起和凹槽的配合结构进行连接，记为第3层陶瓷块阵列，第0层陶瓷块阵列、第1层陶瓷块阵列、第2层陶瓷块阵列、第3层陶瓷块阵列组成如图1所示的结构自约束陶瓷面板。
当然，上述结构自约束陶瓷面板的层数可根据需求设置，若要减少层数，依次去掉处于外层的陶瓷块阵列即可，若要增加层数，按上述排列方式在处于外层的陶瓷块阵列外周增加层数即可。实际应用中，层数优选为2～10。根据实际应用，一般陶瓷装甲的面积在1m2左右，综合组装和应用效率，层数一般选6或7。
实施例2：
如图8至图14所示，与实施例1不同的是，本实施例中还设置有限位件d，该限位件d包括一体成型的第三凸起d1和第四凸起d2，且本实施例中的第二单元陶瓷块b’的两个相隔的侧壁上分别设置有第三凹槽b1’和第四凹槽b2’，第三单元陶瓷块c’的两个相对的侧壁上分别设置有第五凹槽c1’和第六凹槽c2’，上述第三凸起d1与第三凹槽b1’和第五凹槽c1’相互配合，第四凸起d2与第四凹槽b2’和第六凹槽c2’相互配合。
实弹靶试测试：考虑到后续防护性能测试件的尺寸大小，将实施例1和实施例2的陶瓷面板均装配为6层，然后在制成的陶瓷面板两面采用玻璃纤维及胶水粘合后得到陶瓷装甲，同样也采用传统工艺制成陶瓷块之间没有进行紧密结合的陶瓷面板然后制成陶瓷装甲以备后续进行靶试试验。
测试1：试验方案采用三层叠合测试比较后效板残余穿深。具体为：将陶瓷装甲作为面板(厚度11mm)，中间采用8mm钛合金，后效板为30mm装甲钢板，采用12.7mm穿燃弹，11m靶距垂直打击复合板，测试后效板的残余穿深。
通过实弹靶试，相同实验条件下，实施例1采用的方案制成的陶瓷装甲的防护性能较传统周向不约束的陶瓷排布方式的陶瓷装甲提高20.2％；实施例2采用的方案制成的陶瓷装甲的防护性能较传统周向不约束的陶瓷排布方式的陶瓷装甲提高14.3％。
测试2：采用两层叠合测试比较背板的安全角。具体为：将陶瓷装甲作为面板(厚度11mm)，背板采用10mm钛合金，采用12.7mm穿燃弹，11m射距，测试背板的防护安全角。
通过实弹靶试，相同实验条件下，实施例1采用的方案制成的陶瓷装甲的防护性能较传统周向不约束的陶瓷排布方式的陶瓷装甲提高16.0％；实施例2采用的方案制成的陶瓷装甲的防护性能较传统周向不约束的陶瓷排布方式的陶瓷装甲提高12.5％。
综上所述，本发明的结构自约束陶瓷面板只需要对单元陶瓷块的其中两个相隔或相对的侧壁进行装配，其他侧壁通过外层陶瓷块阵列套设在内层陶瓷块阵列外围的方式即可实现限位，一方面，从着弹后影响板块溃散的结合力来讲，两个装配面的装配即可实现单元陶瓷块六个面的稳固结合，装配简单，且对于刚性结构来讲，应该是装配面越少越好；另一方面，从防弹效果来讲，装配面的减少可以增大每个单元陶瓷块的有效(或优质)迎弹面积，更有利于防弹。
Claims (10)
1.一种结构自约束陶瓷面板，由若干个呈正六边形的单元陶瓷块组成，其特征在于：所述结构自约束陶瓷面板中心设置有一个单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列，该第0层陶瓷块阵列的外周套设有第1层陶瓷块阵列，以此类推，第(n-1)层陶瓷块阵列的外周套设有第n层陶瓷块阵列,所述第n层陶瓷块阵列呈中心对称，由6*n个单元陶瓷块依次相接排列而成，且相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，所述第(n-1)层陶瓷块阵列的外侧壁和第n层陶瓷块阵列的内侧壁紧密贴合，其中，n为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第n层陶瓷块阵列的相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁上分别设置有相互配合的第一限位块和第一限位槽，相邻单元陶瓷块通过将第一限位块插设到第一限位槽中进行连接，所述第一限位块和第一限位槽组成所述紧配合结构。
3.根据权利要求2所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第一限位块的厚度与单元陶瓷块的厚度一致。
4.根据权利要求2所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第一限位块位于单元陶瓷块侧壁的中点位置。
5.根据权利要求2所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第一限位块呈外宽内窄结构。
6.根据权利要求5所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第一限位块的横截面设计成等腰梯形结构，所述横截面垂直于单元陶瓷块的轴线。
7.根据权利要求1所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述第n层陶瓷块阵列的相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁上分别设置有第三限位槽和第四限位槽而形成容置区域，该容置区域内设置有第二限位块，相邻单元陶瓷块通过将第二限位块插设到容置区域中进行连接，所述第三限位槽、第四限位槽和第二限位块组成所述紧配合结构。
8.根据权利要求1所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述n为2～10。
9.根据权利要求1所述的结构自约束陶瓷面板，其特征在于：所述单元陶瓷块的边长为70～100mm，厚度为10～50mm。
10.一种权利要求1～9任一项所述的结构自约束陶瓷面板的排布方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)准备若干个呈正六边形的单元陶瓷块；
(2)先在中心放置一个单元陶瓷块，记为第0层陶瓷块阵列；
(3)在第0层陶瓷块阵列的外侧壁依次紧密贴合6个单元陶瓷块，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，记为第1层陶瓷块阵列；
(4)以此类推，在第(n-1)层陶瓷块阵列的外侧壁依次紧密贴合6*n个单元陶瓷块，相邻单元陶瓷块之间相接的侧壁通过紧配合结构进行连接，记为第n层陶瓷块阵列，得到所需的结构自约束陶瓷面板。
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