CN110631421B - 一种超轻装甲及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超轻装甲，包括：陶瓷层组件、封装层、泡沫钛组件和背板；所述陶瓷层组件被封装层封装；所述泡沫钛组件设置在封装层表面；所述背板设置在泡沫钛组件表面；所述陶瓷层组件由陶瓷小块拼接形成；所述封装层的材质为纤维布。本发明使用了泡沫钛这种新型材料，改善了装甲抵抗高能量冲击导致的损坏面积过大、背板变形过于严重的问题，并且让装甲板整体面密度得以大幅度降低、抗多发弹能力提高。本发明还提供了一种超轻装甲的制备方法。

Description

一种超轻装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及装甲技术领域，尤其涉及一种超轻装甲及其制备方法。
背景技术
目前主流的防弹装甲大多数是金属材料，也有一些非金属复合材料。金属防弹装甲至今已经发展了几十年，产品成熟造价低廉，一般为高强度、高硬度的均值钢板、铝合金板或者钛合金板，但是其弱点也很明显就是面密度高。
无论个体防护还是车辆装备防护，其首要任务是防护弹道冲击下的弹头或者爆炸破片，随着武器的升级或者客户面临的弹道威胁等级提高，对防弹装甲的防护能力提出了更高要求。同时，人体防护对于轻量化的要求更高，车辆坦克等运动载具出于对燃油经济性和运动半径的考虑以及对运动灵活性的追求，防弹装甲的轻量化显得尤其重要。
金属防弹板通过高硬度高强度让子弹在高速碰撞时发生塑性变形、钝化、碎裂甚至粉碎，同时金属防弹板在此过程中通过拉伸剪切变形吸收大量的动能，因此能量主要通过子弹形变、防弹板形变和摩擦等形式消耗。但是随着金属防弹板的强度、硬度提高，受到弹丸冲击时变形局限在很小范围内，由于应变率极高导致发生绝热剪切作用，在板冲击点形成比弹丸直径略大的剪切冲塞的通孔，只能吸收子弹少量的动能，这种情况下弹丸的剩余速度很高，冲塞块和子弹将造成二次伤害。
防弹陶瓷如碳化硅，碳化硼，氧化铝，氮化铝，硼化钛，氧化锆增韧氧化铝等，由于陶瓷极高的硬度在子弹高速冲击下能迅速让子弹变形，侵蚀子弹的质量，而对应变速率不敏感正好弥补了金属防弹材料在这方面的不足，但单独使用的陶瓷缺点也很明显，由于硬度高，脆性大，冲击后立刻破碎，面对二次甚至多次冲击的防护能力急剧下降，因此在上世纪六七十年代出现了乔巴姆结构防弹装甲，是将陶瓷夹持到两块金属板之间形成了三明治结构，有效解决了陶瓷的脆性和金属板的绝热剪切冲塞失效的矛盾，但是这种结构依然很重。
后来出现的纤维复合材料层压板，由芳纶纤维或者超高分子量聚乙烯纤维制成，由于纤维的密度远低于金属材料，特别是超高分子量聚乙烯纤维的密度只有0.97，比水的密度还要低3％，而其比强度远高于铝、钢、钛等金属。独立使用这种纤维层压板作为防弹板其防护系数可进一步提高，是人体防护等轻量化装备的主要选择。但是纤维复合材料的弱点也很突出，一方面在面对运输装备等防护时，纤维复合材料的刚度不够，需要借助传统的金属材料作为支持，防弹和结构支撑才能发挥协同作用，另一方面针对动能高、硬度高弹芯的中等以上口径子弹，纤维层压板所需的厚度更高，冲击变形大。使用这种纤维层压板的和陶瓷复合而成的复合防弹板材同样面临冲击变形大和无法提供结构支撑等功能。
针对目前的防弹材料看，提供防弹性能、结构强度、轻量化、防多发攻击、二次利用等多方面需求的材料成为本领域研究的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超轻装甲及其制备方法，本发明提供的超轻装甲具有良好的防护性能同时重量较轻。
本发明提供了一种超轻装甲，包括：
陶瓷层组件、封装层、泡沫钛组件和背板；
所述陶瓷层组件被封装层封装；
所述泡沫钛组件设置在封装层表面；
所述背板设置在泡沫钛组件表面；
所述陶瓷组件由陶瓷小块拼接形成；
所述封装层的材质为纤维布。
在本发明中，所述超轻装甲中陶瓷层组件的一面为冲击面，本发明提供的超轻装甲从冲击面依次设置有纤维布封装的陶瓷组件、泡沫钛组件和背板。
在本发明中，所述陶瓷层组件的材质优选选自碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化锆、增韧氧化铝、氮化铝和硼化钛中的一种或几种。
在本发明中，所述陶瓷层组件的厚度优选为子弹直径的0.8～1.2倍，更优选为4～15mm，更优选为4.5～14mm，最优选为5～12mm。
在本发明中，所述封装层的材质为纤维布，所述纤维布优选选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、聚乙烯纤维布和玄武岩纤维布中的一种或几种，更优选为玻璃纤维布、碳纤维布和芳纶纤维布中的一种或几种，最优选为芳纶纤维纶布。
在本发明中，所述陶瓷层组件是由陶瓷小块拼接而成的，每个陶瓷小块被分别封装在封装层中，然后再采用纤维布整体包覆。在本发明中，每个陶瓷小块先被包裹在纤维布中，形成单独的封装后的陶瓷小块；然后再将多个单独的封装后的陶瓷小块粘结在纤维布上，用纤维布整体进行包覆，形成封装后的陶瓷层组件。在本发明中，多个封装后的陶瓷小块规律整齐排列成一定形状，如矩形或圆形，被粘结包覆在纤维布表面，形成一个整体的陶瓷板。在本发明中，所述粘结优选采用树脂粘结，如可采用环氧树脂粘结，所述环氧树脂优选为120℃以下固化的环氧树脂，优选采用上海华谊树脂有限公司提供的安得宝牌JW-1、SW-6、SW-7、425-3、DW-3-1型号的产品，这种环氧树脂常温下粘度较低，固化后强度高，虽然常温下能够固化，但是其固化速度较慢可以提供足够的操作时间，而且加热后可快速固化，固化温度不超过120℃对背板如超高分子量聚乙烯纤维层压板的性能损伤很小。
在本发明中，所述陶瓷小块的形状优选为正方形、长方形或正六边形，也可为了边角修饰含有一半的正方形、一半的长方行或一半正六边形，所述陶瓷小块可以全部为正方形，或是全部为长方形，也可以是正方形和长方形的组合，优选为正方形。
在本发明中，所述陶瓷小块的厚度与上述技术方案所述陶瓷层组件的厚度一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述封装层可以为一层纤维布可以为多层纤维布，既可以采用一层纤维布包覆上述多个封装后的陶瓷小件，也可以采用多层纤维布包覆上述多个封装后的陶瓷小件。
在本发明中，封装后的陶瓷层组件中每个陶瓷小块之间由纤维布和树脂(胶粘剂)形成的复合材料隔离。
在本发明中，所述陶瓷小块的数量和形状根据所需陶瓷层组件的外观尺寸进行设计和计算，如可计算陶瓷层组件在长度和宽度方向上所需的陶瓷小块数量，然后得到陶瓷层组件整体所需的陶瓷小块的数量。
本发明实施例中陶瓷小块的结构示意图如图3和图4所示，图3为正方形陶瓷小块的结构示意图，其中12为正面，11为侧面；图4为正六边形陶瓷小块的结构示意图，其中12为正面，11为侧面。
由于陶瓷硬度高，易碎，因此在使用过程中最忌摔打，跌落、敲击等，一旦陶瓷裂缝、破损将极大降低其防护能力，因此现有技术常规制造的防弹装甲中，一般都要特别注明避免碰撞，对于战场环境下各种碰撞不可避免，因此降低了防弹装甲的可靠性、稳定性，对保障性要求更高。
选用整块大陶瓷，则陶瓷复合装甲遭受子弹冲击后，整块发生裂纹降低了后续子弹冲击的防护效果。另外大块陶瓷在生产过程中制成率低，因此造价很高；如果采用小块陶瓷拼接的方式制造装甲，一来可以避免陶瓷整块破损，二来降低成本，但是相邻陶瓷受损严重，降低后续防护能力，而且装甲的整体机械性能较差，在震动、弯曲载荷作用下易导致陶瓷脱落。
在本发明中，所述泡沫钛组件的厚度优选为子弹直径的0.15～0.60倍，更优选为1～8mm，更优选为2～6mm，最优选为3～5mm。
在本发明中，所述泡沫钛组件的相对密度优选为0.1～0.9，更优选为0.25～0.75，更优选为0.3～0.7，最优选为0.4～0.6。
在本发明中，所述泡沫钛组件的制备方法，优选包括：
预制坯试样、置氢、高温发泡和除氢。
在本发明中，所述预制坯试样的方法，优选包括：
将钛粉装入钢包套中后进行抽真空处理然后回充氢气，再进行热等静压，得到预制坯试样。
在本发明中，所述置氢的方法，优选包括：
将上述预制坯试样放入氢处理炉中充入一定含量的氢。
在本发明中，所述高温发泡的方法，优选包括：
将上述置氢后得到产品在真空环境下进行高温发泡。
在本发明中，所述除氢的方法，优选包括：
将上述高温发泡的产品在氢处理炉中进行真空退火。
在本发明中，所述泡沫钛组件的制备方法优选按照专利CN201410697421.4“一种氢辅助作用下泡沫钛的制备方法”所公开的方法进行制备。
本发明提供的泡沫钛组件的制备方法在气体捕捉法制备泡沫钛的工艺过程中引入氢气，利用氢致高温塑性来改善泡沫钛的发泡性能，提高其发泡效率和孔隙率，最后去除氢气来优化其力学性能。本发明提供的方法制备得到的泡沫钛产品孔隙率高。
在本发明中，所述泡沫钛组件优选为由泡沫钛小块拼接而成。在本发明中，所述泡沫钛小块的形状优选为矩形，长度优选为45～55mm，更优选为48～52mm，最优选为50mm；宽度优选为55～65mm，更优选为58～62mm，最优选为60mm；厚度与上述技术方案所述泡沫钛组件厚度一致，再此不再赘述。
在本发明中，所述泡沫钛组件和陶瓷层组件均是由小块材料拼接而成，在两层重叠时达到了较小的接缝重叠，使本发明提供的超轻装甲具有良好的防弹性能的同时具有较高的结构性能。
本发明提供的超轻装甲采用泡沫钛组件，改善了装甲抵抗高能量冲击导致的损坏面积过大、背板变形过于严重的问题，并且让装甲板整体面密度得以大幅度降低、抗多发弹能力提高。
本发明中采用泡沫钛组件通过泡沫钛的高应力平台，应变率不敏感等特性高效吸收子弹冲击的能量，变形量小，吸能效率高，有利于轻量化目标。
本发明中泡沫钛作为主要冲击吸能元件，是本发明中重要的无可替代的组件，其吸收冲击能量达到50％以上。
在本发明中，所述背板的材质优选选自玻璃纤维层压板、碳纤维层压板、芳纶层压板、超高分子量聚乙烯层压板、铝合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种，所述背板也可以是由几种纤维混合制备得到的压板，如碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维混杂的层压板，芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维混杂的层压板。
在本发明中，所述背板的面密度优选占超轻装甲面密度的15～45％，更优选为20～40％，最优选为25～35％。
在本发明中，所述封装层和泡沫钛组件之间设置有胶粘剂，所述泡沫钛组件和背板之间设置有胶粘剂。
在本发明中，所述胶粘剂优选为树脂，更优选为环氧树脂，最优选为固化温度为120℃以下的环氧树脂，如上文所述不再赘述。
在本发明中，所述背板和泡沫钛组件之间优选还设置有纤维布，所述纤维布的种类与上述技术方案所述纤维布的种类一致，在此不再赘述；所述纤维布可以为一层纤维布也可以为多层纤维布。在本发明中，所述纤维布的形状尺寸与陶瓷层组件或背板的形状尺寸一致即可。
在本发明中，所述泡沫钛组件和纤维布之间优选设置胶粘剂，所述纤维布和背板之间优选设置胶粘剂；所述胶粘剂与上述技术方案所述胶粘剂一致，在此不再赘述。
图1为本发明实施例提供的超轻装甲的结构示意图，包括：
封装的陶瓷小块1；
泡沫钛组件2；
背板3；
封装层封装的陶瓷层组件中形成的间隔4。
图2为本发明实施例提供的超轻装甲的正面示意图，其为陶瓷小块错位排列的示意图。
本发明提供了上述技术方案所述的超轻装甲的制备方法，包括：
在背板表面粘结纤维布；
在纤维布表面粘结泡沫钛组件；
在泡沫钛组件表面粘结多个采用封装层封装后的陶瓷小块；
在多个封装后的陶瓷小块表面粘结纤维布，得到复合装甲；
将所述复合装甲进行固化，得到超轻装甲。
在本发明中，所述背板、纤维布和泡沫钛组件与上述技术方案所述背板、纤维布和泡沫钛组件一致，在此不赘述。
在本发明中，可以在背板表面粘结一层纤维布，也可以粘结多层纤维布；所述纤维布的种类与上述技术方案所述一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述粘结优选采用胶粘剂粘结，所述胶粘剂与上述技术方案所述胶粘剂一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述封装层封装后的陶瓷小块中的封装层和陶瓷小块与上述技术方案所述封装层和陶瓷小块一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述封装层封装后的陶瓷小块的制备方法，优选包括：
设计封装布形状图纸；
按照上述图纸剪裁纤维布；
采用剪裁后的纤维布封装陶瓷小块。
在本发明中，优选按照陶瓷小块的形状设计封装布形状图纸，图纸的设计方法优选包括：
以陶瓷小块迎弹面为正面或者作为轴向转动中心，转动陶瓷小块以其中一个侧面为基准作侧向展开，然后以每个展开侧面为中心将陶瓷小块的两个正面向两侧展开，得到形状图纸。
在本发明中，所述剪裁过程中裁切边优选平行于纤维布的径向或者纬向，可以单独剪裁每个陶瓷小块对应的封装布形状，也可以统一制图，在剪裁机上统一套裁，以降低耗损，提高效率。
本发明实施例提供的封装正方形陶瓷小块的封装布形状图纸如图5所示，其中11-1对应图3中正方形陶瓷小块的侧面11，12-1对应图3中正方形陶瓷小块的正面12；正六边形陶瓷小块的封装布形状图纸如图6所示，其中11-1对应图4中正六边形陶瓷小块的侧面11，12-1对应图4中正六边形陶瓷小块的正面12。
在本发明中，所述封装的方法，优选包括：
将剪裁好的纤维布以陶瓷小块迎弹面为轴心滚动，按照顺时针或者逆时针方向使裁切好的纤维布将陶瓷小块封装。
本发明实施例中正方形陶瓷小块封装的示意图如图7所示，其中的数字标号与图3和图5相同；正六边形陶瓷小块封装的示意图如图8所示，其中的数字标号与图4和图6相同。
本发明采用陶瓷小块的侧向包裹法实现了陶瓷单片到整体的构成，使陶瓷层的整体结构强度高，抗意外撞击，抗震，抗多重打击，可修复，可重复利用。
本发明提供的封装陶瓷的方法，能够实现提高陶瓷的抗弹性能，抗多击性，装甲整体结构强度，以及实现陶瓷板的二次使用等效果。
在本发明中，在多个封装后的陶瓷小块表面粘结纤维布优选采用上述技术方案所述的粘结剂进行粘结，在此不再赘述，所述纤维布的种类与上述技术方案所述纤维布的种类一致，在此不再赘述；可以粘结一层纤维布，也可以粘结多层纤维布；所述纤维布的尺寸与多个陶瓷小块拼接后形成的陶瓷层组件的尺寸相同或大于陶瓷层组件的尺寸。
在本发明中，将纤维布粘结在多个封装后的陶瓷小块表面的过程中优选在纤维布整体表面或者，每个封装后的陶瓷小块以及封装后的陶瓷小块之间均涂覆胶粘剂，使粘结后的每个封装后的陶瓷小块之间被胶粘剂以及纤维布隔开。
在本发明中，所述固化可以为在热压下固化，也可以为真空固化，还可以为真空热压固化，可以将所述复合装甲放入模具中进行压制固化，也可以将复合装甲放入真空固化袋进行固化，或者将复合装甲放入真空热压罐固化。
在本发明中，在模具中进行压制固化的过程中的温度优选为25～120℃，更优选为50～90℃，最优选为60～80℃；压力优选为0.1～10MPa，更优选为1～8MPa，最优选为3～6MPa，所述压力为复合装甲迎弹面垂直方向的单位面积承载力；时间优选为5秒～48小时，更优选为10秒～40小时。在本发明中，在模具中进行压制固化的工艺参数优选为常温5秒5～10MPa后常温固化48小时；或60～80℃0.1～1MPa固化1小时后常温固化24小时；或85～100℃0.5～1MPa固化2小时。
本发明采用封装处理并以泡沫钛作为主要吸能组件，本发明提供的超轻装甲的重量更轻，受子弹冲击后背面凸起更小，可以耐受多次冲击。
本发明提供的超轻装甲能够用于人体防护胸插板、车辆防弹装甲板或航空载具防弹装甲。
弹道冲击特别是硬质核心的高速穿甲燃烧弹，在冲击装甲板时一般经历多个过程，现结合本发明提供的超轻装甲各部件的特点，按照弹丸的冲击历程，对本发明进行介绍：
第一阶段，在弹丸冲击的初期，首先接触到本发明中的整体封装涂层和玻纤复合层，由于此两层很薄，加之玻纤的脆性，因此几乎不影响弹丸的速度和也不降低弹的质量，同时由于不传递过高的冲击波到陶瓷，因此在接下来弹丸冲击陶瓷时就没有叠加第一层的冲击应力波，有利于陶瓷性能的充分发挥。此过程为第一阶段，时间可以忽略。本阶段对于本发明中的整体封装面层，其作用在于避免第二阶段陶瓷的飞溅。
第二阶段：弹丸冲击陶瓷时，由于速度很高，此时陶瓷的动态压缩性能急剧上升(以氧化铝为例达到6500MPa以上)，远高于其静态力学性能，此时弹丸前端呈流体状态急剧变形，弹丸后端继续推进，弹丸整体急剧降速，而陶瓷因为受到瞬间冲击，陶瓷表面形成入射冲击波(压应力)，并以高速(以氧化铝受到53穿甲弹808m/s的冲击为例，冲击波速达到8590～8695m/s)推进到陶瓷背面，陶瓷背面的冲击波发射形成发射冲击波(拉应力)，并与入射冲击波相互作用造成陶瓷过早形成锥形裂纹，俗称陶瓷锥，这个阶段大约持续几个到20多个微秒。
本阶段中，通过本发明的陶瓷封装处理，让反射冲击波发射漫发射，降低了发射冲击波和入射冲击波之间的相互作用，延长陶瓷锥形成的时间从而更大程度降低弹丸速度和消耗弹丸质量；避免陶瓷因冲击破碎而脱离固定位置，因此封装层此时很关键，起到固定陶瓷的作用，同时也避免了陶瓷飞溅导致的二次伤害，本发明中子弹在此阶段可达到停止穿透。
第三阶段：此时弹丸和陶瓷锥继续推进造成背板变形，而陶瓷锥内部因为入射冲击波和反射冲击波相互作用继续碎裂粉碎化，而弹丸也继续变形升温推进到背板，子弹速度继续降低。
本阶段中，本发明中的陶瓷封装，导致陶瓷发射冲击波发生漫反射，因此反射冲击波与入射冲击波相互作用减少，陶瓷锥内部的破碎程度降低，增加了防弹能力。在本发明中，弹丸在次阶段将结束运动。
第四阶段：本发明中背板采用泡沫钛设计可以耐受高温，避免温度升高导致性能下降，同时由于泡沫钛具有很高的压缩强度和压缩平台强度，此时弹丸和背板的作用分为两个子阶段；在本发明中，背板由铝合金或(和)超高分子量聚乙烯纤维板共同组成，第一子阶段，在陶瓷锥推进压缩和分碎化过程中，剩余弹丸压缩泡沫钛板，泡沫钛吸收大量的动能，同时加速了超高分子量聚乙烯背板协调变形；第二子阶段，弹丸到达超高分子量聚乙烯板，因此表层受到弹丸挤压冲击，在压缩应力作用下，发生升温、热损伤、原纤化和扭结带形成，接着在中层往后逐步发生分层，拉伸破坏，在超高分子量聚乙烯板的最后将发生完全的拉伸断裂，吸收大量能量，直至弹丸停止或穿透。在此阶段，本发明通过泡沫钛压缩变形、穿透以及超高分子量聚乙烯板的前半部分的剪切破坏、后半部分的分层拉伸吸收能力。
本发明通过对陶瓷进行封装，一方面提高了陶瓷抗击各种意外伤害，避免非预期碰撞导致的各种裂缝破损等避免降低其防护性能，本发明在装甲中并未单纯使用诸如基于环氧树脂的结构粘合剂，这种结构的粘合剂倾向于将在轮胎/道路界面处产生的载荷(通过车辆悬架系统，车身框架和装甲背板传递)传递到撞击面陶瓷层，(低延展性/低柔韧性)瓷砖受到持续的在役载荷，可以逐渐降低其结构完整性和弹道性能。本发明使用纤维布和树脂封装陶瓷后，由于纤维的增韧作用，高刚度的树脂抗震动载荷的能力提高；另一方面，本发明通过封装的陶瓷，经过粘接形成一个新的整体陶瓷板，由于纤维布的增强作用导致这种粘接后的整体陶瓷板更加坚固，整体刚度更高，整体板的抗弯强度大幅度提高，陶瓷之间的缝隙宽度和陶瓷界面强度对于整体复合装甲的刚度具有重要作用，本发明采用纤维和树脂的复合包覆对于整体复合装甲的界面改善很大；第三方面，本发明采用小块陶瓷拼接形成整体板，而在子弹或破片冲击时，接触到往往是一块陶瓷或者相邻两块或者几块，因此陶瓷破损失效的数量是很有限的，对于多发攻击的防护能力得到保障；第四方面，由于纤维的封装作用，相邻陶瓷之间实际上由纤维和树脂的复合材料形成隔离，在弹丸冲击时的冲击波传递受到陶瓷-复合材料界面的隔离，因此冲击波在陶瓷之间的传递受到抑制而在冲击点陶瓷的入射和反射得到增强，保证了其他陶瓷的完整性同时也提高了冲击点陶瓷的吸能效率；第五方面，由于陶瓷的封装作用，冲击瞬间子弹与陶瓷的相互摩擦、侵蚀，导致表面陶瓷向子弹冲击方向的逆向飞溅收到抑制，因而能有力保障陶瓷在子弹的后续推进时保持原位从而极大提高了陶瓷的抗弹能力，陶瓷破碎后的二次防护能力是影响陶瓷后续抵抗弹丸推进的重量因素。本发明通过封装陶瓷抑制了裂纹的扩展，抑制陶瓷碎片的位移从而提高了陶瓷的抗弹性能；第六方面，由于陶瓷的防弹性能得到提高，因此在预期同等防护效果的情况下，可以降低陶瓷用量，或者在同等陶瓷用量的情况下降低背板的用量，从而总体上降低防弹的面密度，以期实现轻量化的目标；第七方面，由于陶瓷被纤维布和胶封装隔离了冲击波，一旦陶瓷被弹丸或者破片击中，其受损范围有限，可以进行二次补修实现陶瓷装甲的多次使用，能提高陶瓷板的失效率2～3倍(以一块300mm×300mm的装甲板为例，一般受到一发或者两发54式12.7mm穿甲燃烧弹攻击后报废，而本发明陶瓷板在纤维布封装后可以修补再用至少一次)。
本发明采用封装陶瓷+泡沫钛+背板(铝合金板或/和聚乙烯板)结构的装甲产品，重量轻，吸能效果好，隔音。
本发明提供的超轻装甲能够提高装甲的防护能力，多发弹冲击的防护能力，降低冲击后背板的凹陷，提高装甲的整体机械性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的超轻装甲的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超轻装甲的正面示意图；
图3为本发明实施例提供的正方形陶瓷小块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的正六边形陶瓷小块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的正方形陶瓷小块封装布形状图纸；
图6为本发明实施例提供的正六边形陶瓷小块封装布形状图纸；
图7为本发明实施例提供的正方形陶瓷小块的封装示意图；
图8为本发明实施例提供的正六边形陶瓷小块的封装示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明以下实施例所采用的泡沫钛为按照CN201410697421.4专利所公开的方法制备获得的，其他原料均为市售商品，所用的胶粘剂为上海华谊树脂有限公司提供的安得宝牌JW-1、SW-6、SW-7、425-3、DW-3-1型号的产品。
实施例1
选取边长50mm的正方形碳化硼陶瓷，厚度5mm，使用0.2mm厚度平纹芳纶布封装陶瓷，封装步骤为：
根据陶瓷的形状设计封装布的形状，以陶瓷迎弹面为正面或者作为轴向转动中心，转动陶瓷以其中一个侧面为基准作侧向展开，然后以每个展开侧面为中心将陶瓷的两个正面向两侧展开，设计封装陶瓷的芳纶布的形状图纸，封装芳纶布的裁剪图纸如图5所示，其中12-1为陶瓷迎弹面尺寸为50mm*50mm，11-1为侧面为避免倒角损失，尺寸为50mm*5.5mm；
按照图5的图纸，裁切边平行于芳纶布的径向或者纬向，裁切相应形状的芳纶布；
将上述裁剪完好的芳纶布以陶瓷迎弹面为轴心滚动，按照顺时针或者逆时针方向依次将上述陶瓷封装；
根据所需陶瓷板外观尺寸设计需要的陶瓷形状，并计算在装甲的长度方向和宽度方向需要的陶瓷数量和种类，本实施例以制作胸插板为例，需要陶瓷20块50*50*5mm的陶瓷小块。
根据所需装甲板的外观长宽尺寸，裁剪芳纶纤维布一张，本实施例制造胸插板的尺寸为250mm*300mm，取一张同等尺寸的芳纶纤维布采用胶粘剂(JW-1产品)直接粘接到6mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板(北京同益中新材料科技股份有限公司提供)上，然后将2mm厚的孔隙率30％的泡沫钛板板(其长宽尺寸与装甲板长宽尺寸相同)采用胶粘剂粘接到芳纶纤维布上。
将多个上述已经封装的陶瓷小块涂刷胶粘剂(JW-1产品)并依次粘结到泡沫钛板上，按照每行4块一共5行粘结在泡沫钛组件的几何中心；
根据所需装甲板的外观长宽尺寸250*300mm，裁剪芳纶纤维布两张，涂胶粘剂(JW-1产品)并铺设粘接到上述排列成整体的、封装的陶瓷小块上表面，得到装甲板；
将上述制作的装甲板，放入模具中压制，在设定温度80℃、压力3MPa和时间1小时下固化，得到人体防护胸插板。
本发明实施例1制备得到人体防护胸插板，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，测定产品面密度为16.5kg/m2；产品面密度与同等水平的产品相比面密度下降了35％。
按照下述方法测试实施例1制备的人体防护胸插板的着弹面密度：
着弹面密度＝各组件面密度之和+附加面密度；
组件面密度计算：在产品设计和制作过程中，测量和记录每个组件的厚度和该组件的体密度，将对应组件的厚度(以mm为单位)乘以该组件的体密度(以g/cm3为单位)得到该组件的面密度(单位是kg/m2)；
附加面密度＝(产品最终重量-陶瓷元件重量-泡沫钛组件重量-背板重量)/防弹产品外观面积，单位是kg/m2。
计算结果为：着弹面密度24.5kg/m2。
使用95式狙击步枪5.8mm普通弹，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，其V50>920m/s，7发射击，6发有效并部分穿透，其背后凸起高度低于15mm，符合GA141-2010标准6级防护低于25mm的要求；其中V50是指在一个较窄的速度区间内穿透靶板的最低速度和不穿透靶板的最高速度的平均值，一般的该速度区间小于等于29m/s，穿透和不穿透的有效射击至少3发。
实施例2
按照实施例1所述的方法制备得到人体防护胸插板，与实施例1的区别在于：采用边长为7mm的正方形碳化硼陶瓷，2mm厚孔隙率20％泡沫钛组件，10mm厚超高分子量聚乙烯纤维层压板作为背板。
按照实施例1的方法检测，本发明实施例2制备得到的人体防护胸插板产品面密度为24kg/m2，着弹面密度为35kg/m2；与同等级防护水平的产品相比，面密度降低25％。
使用53式7.62mm穿甲燃烧弹，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，其V50>818m/s，三发有效射击，均部分穿透，背后凸起高度低于20mm，符合GA141-2010标准6级防护低于25mm的要求。
实施例3针对54式12.7mm*108mmAPI穿甲燃烧弹的威胁
选取对边长83mm的正六边形碳化硼陶瓷，厚度13mm，使用0.2mm厚度玻璃纤维布封装陶瓷，封装方法为：
根据陶瓷的形状设计封装布的形状，以陶瓷迎弹面为正面或者作为轴向转动中心，转动陶瓷以其中一个侧面为基准作侧向展开，然后以每个展开侧面为中心将陶瓷的两个正面向两侧展开，设计封装陶瓷的玻璃纤维布的形状图纸，封装玻璃纤维布的裁剪图纸如图6所示，其中12-1为陶瓷迎弹面，尺寸为48mm*48mm，11-1为侧面，为避免倒角损失，侧面尺寸为48mm*13.5mm；对边长83mm的正六边形的边长约48mm；
按照上述图纸，裁切边平行于玻璃纤维布的径向或者纬向，裁切相应形状的玻璃纤维布，也可以统一设计制图，在裁切机上统一套裁以降低损耗，提高制作效率；
将上述步骤裁剪完好的玻璃纤维布以陶瓷迎弹面为轴心滚动，按照顺时针或者逆时针方向依次将上述陶瓷封装；
超轻装甲的制作方法如下：
根据所需陶瓷板外观尺寸设计需要的陶瓷形状，并计算在陶瓷板的长度方向和宽度方向需要的陶瓷数量和种类，本实施例中以制作胸插板为例，需要陶瓷44块83*96*13mm的陶瓷。
根据上述计算，确定需要封装的陶瓷类型和数量44块，并根据上述要求制作封装用的玻璃纤维布；
根据所需陶瓷板的外观长宽尺寸，裁剪玻璃纤维布一张，在本实施例中制造装甲板的尺寸为510mm*615mm，取一张同等尺寸的玻璃纤维布直接粘结(胶粘剂为SW-6产品)到12mm厚由北京同益中新材料科技股份有限公司提供的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板上，然后将5mm厚孔隙率30％的泡沫钛板(其长宽尺寸与装甲板尺寸相同)采用胶粘剂(SW-6产品)粘接到玻璃纤维布上，所述泡沫钛板是由50*60mm的泡沫钛小块拼接的，具体拼接方法为：
取50*60mm的泡沫钛小块，按照水平方向对应50mm，纵向对应60mm依次紧密排列成10*10的方阵采用粘结剂(SW-6产品)粘结在玻璃纤维布上，其外观尺寸约为500mm*600mm(前者为横向水平方向尺寸，下同)
将上述多个已经封装的陶瓷小块44块，涂刷胶粘剂(SW-6产品)并依次铺放粘结到上述泡沫钛板上；
根据所需装甲板的外观长宽尺寸510*615mm，裁剪玻璃纤维布两张，涂胶粘剂并铺设粘结到上述排列成整体的、封装的陶瓷小块上表面，得到装甲板；
将上述制作的装甲板，放入模具中压制，在设定温度120℃、压力0.1MPa和固化1小时，然后常温固化24小时，得到复合装甲板。
本发明实施例3制备的复合装甲板，按照实施例1的方法，测定产品面密度为58.32kg/m2，着弹面密度为61.66kg/m2；与同等水平的产品82KG/M2相比，面密度下降了24％。
使用54式狙击步枪12.7mm*108mm穿甲燃烧弹，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，3发有效射击，2发部分穿透，1发完全穿透，其V50>872m/s；其迎弹面损伤面积很小，背面凸起高度小于50mm。
实施例4
按照实施例2的方法制备人体防护胸插板，与实施例2的区别在于，采用厚度3mm孔隙率35％的泡沫钛板替换实施例2中的泡沫钛板。
按照实施例1的方法，测试本发明实施例4制备的人体防护胸插板的面密度为24kg/m2，着弹面密度37.5kg/m2；与同等级防护水平的产品相比，着弹面密度降低31％。
使用53式7.62mm穿甲燃烧弹，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，其V50>818m/s，两发有效射击，部分穿透，背后凸起高度低于20mm，符合GA141-2010标准6级防护低于25mm的要求。
按照NIJ0101.06标准IV级7.62mmM2AP弹测试，完全防住，两发部分穿透，背后凸起高度低于25mm，符合NIJ0101.06标准关于凹陷水平低于44mm的要求。
实施例5
按照实施例3所述的方法制备复合装甲板，与实施例3的区别在于，采用11mm厚度边长为50mm的正方形碳化硼替换实施例3中的陶瓷，采用2mm厚度35％孔隙率的泡沫钛板替换实施例3中的泡沫钛板，采用8mm厚度超高分子量聚乙烯纤维层压板替换实施例3中的背板；
采用120℃、0.1MPa压力下固化5秒，然后25℃常温固化48小时的工艺条件替换实施例3中的工艺条件。
按照实施例1的方法测试，本发明实施例5制备的复合装甲板的面密度43.6kg/m2，按照MIL-PRF-46103E标准的Type III Class 2A 0.50口径穿甲燃烧弹(即12.7mm*99mmAPI硬钢芯)测试，4发有效射击，部分穿透，完全防住；相比Tencate公司公开宣传该级别装甲的面密度为53.5kg/2，本实施例产品面密度降低18％。
实施例6
按照实施例3的方法制备复合装甲板，与实施例3的区别在于，采用13mm厚度边长为50mm的正方形碳化硼替换实施例3中的陶瓷小块，采用15mm厚度超高分子量聚乙烯纤维层压板替换实施例3中的背板；
采用75℃，10MPa压力下固化1小时，然后25℃常温固化24小时的工艺条件替换实施例3中的工艺条件。
按照实施例1的方法测试，本发明实施例6制备的复合装甲板的面密度63.5kg/m2，按照MIL-PRF-46103E标准的Type III Class 2C 0.50口径穿甲燃烧弹(即12.7mm*99mmAPI硬钢芯)测试，3发有效射击，部分穿透，完全防住。
相比Tencate公司公开宣传该级别装甲的面密度为73.5kg/m2，本实施例制备的产品面密度降低13％。与最新报道的Ballistic Performance of Composite Metal Foamagainst Large Caliber Threats,Composite Structures(2019)，复合装甲100kg/m2的面密度相比，降低了36％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种超轻装甲，包括：陶瓷层组件、封装层、泡沫钛组件和背板；所述陶瓷层组件被封装层封装；所述泡沫钛组件设置在封装层表面；所述背板设置在泡沫钛组件表面；所述陶瓷层组件由陶瓷小块拼接形成；所述封装层的材质为纤维布。本发明使用了泡沫钛这种新型材料，改善了装甲抵抗高能量冲击导致的损坏面积过大、背板变形过于严重的问题，并且让装甲板整体面密度得以大幅度降低、抗多发弹能力提高。本发明还提供了一种超轻装甲的制备方法。

Claims (6)

1.一种超轻装甲的制备方法，包括：
选取边长50mm的正方形碳化硼陶瓷，厚度5mm，使用0.2mm厚度平纹芳纶布封装陶瓷，封装步骤为：
根据陶瓷的形状设计封装布的形状，以陶瓷迎弹面为正面或者作为轴向转动中心，转动陶瓷以其中一个侧面为基准作侧向展开，然后以每个展开侧面为中心将陶瓷的两个正面向两侧展开，设计封装陶瓷的芳纶布的形状图纸，陶瓷迎弹面尺寸为50mm*50mm，侧面为避免倒角损失，尺寸为50mm*5.5mm；裁切边平行于芳纶布的径向或者纬向，裁切相应形状的芳纶布；
将裁剪完好的芳纶布以陶瓷迎弹面为轴心滚动，按照顺时针或者逆时针方向依次将碳化硼陶瓷封装；
根据所需陶瓷板外观尺寸设计需要的陶瓷形状，并计算在装甲的长度方向和宽度方向需要的陶瓷数量和种类，需要陶瓷20块50*50*5mm的陶瓷小块；
根据所需装甲板的外观长宽尺寸，裁剪芳纶纤维布一张，取一张同等尺寸的芳纶纤维布采用胶粘剂直接粘接到6mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板上，然后将2mm厚的孔隙率30％的泡沫钛板采用胶粘剂粘接到芳纶纤维布上；
将多个已经封装的陶瓷小块涂刷胶粘剂并依次粘结到泡沫钛板上，按照每行4块一共5行粘结在泡沫钛组件的几何中心；
根据所需装甲板的外观长宽尺寸250*300mm，裁剪芳纶纤维布两张，涂胶粘剂并铺设粘接到排列成整体的、封装的陶瓷小块上表面，得到装甲板；
将制作的装甲板，放入模具中压制，在设定温度80℃、压力3MPa和时间1小时下固化，得到人体防护胸插板。
2.根据权利要求1所述的超轻装甲的制备方法，其特征在于，将权利要求1中的边长50mm的正方形碳化硼陶瓷替换为边长为7mm的正方形碳化硼陶瓷；6mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板替换为10mm厚超高分子量聚乙烯纤维层压板；2mm厚孔隙率30％的泡沫钛板替换为2mm厚孔隙率20％泡沫钛组件。
3.根据权利要求2所述的超轻装甲的制备方法，其特征在于，将权利要求2中的2mm厚孔隙率20％泡沫钛组件替换为厚度3mm孔隙率35％的泡沫钛板。
4.一种超轻装甲的制备方法，包括：
选取对边长83mm的正六边形碳化硼陶瓷，厚度13mm，使用0.2mm厚度玻璃纤维布封装陶瓷，封装方法为：
根据陶瓷的形状设计封装布的形状，以陶瓷迎弹面为正面或者作为轴向转动中心，转动陶瓷以其中一个侧面为基准作侧向展开，然后以每个展开侧面为中心将陶瓷的两个正面向两侧展开，设计封装陶瓷的玻璃纤维布的形状图纸，陶瓷迎弹面尺寸为48mm*48mm，侧面尺寸为48mm*13.5mm；裁切边平行于玻璃纤维布的径向或者纬向，裁切相应形状的玻璃纤维布，在裁切机上统一套裁以降低损耗，提高制作效率；
将裁剪完好的玻璃纤维布以陶瓷迎弹面为轴心滚动，按照顺时针或者逆时针方向依次将碳化硼陶瓷封装；
超轻装甲的制作方法如下：
根据所需陶瓷板外观尺寸设计需要的陶瓷形状，计算在陶瓷板的长度方向和宽度方向需要44块83*96*13mm的陶瓷；
根据要求制作封装用的玻璃纤维布；
根据所需陶瓷板的外观长宽尺寸，裁剪玻璃纤维布一张，制造装甲板的尺寸为510mm*615mm，取一张同等尺寸的玻璃纤维布直接粘结到12mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板上，然后将5mm厚孔隙率30％的泡沫钛板采用胶粘剂粘接到玻璃纤维布上，所述泡沫钛板是由50*60mm的泡沫钛小块拼接的，具体拼接方法为：
取50*60mm的泡沫钛小块，按照水平方向对应50mm，纵向对应60mm依次紧密排列成10*10的方阵采用粘结剂粘结在玻璃纤维布上，其外观尺寸为500mm*600mm；
将多个已经封装的陶瓷小块44块，涂刷胶粘剂并依次铺放粘结到上述泡沫钛板上；
根据所需装甲板的外观长宽尺寸510*615mm，裁剪玻璃纤维布两张，涂胶粘剂并铺设粘结到排列成整体的、封装的陶瓷小块上表面，得到装甲板；
将制作的装甲板，放入模具中压制，在设定温度120℃、压力0.1MPa和固化1小时，然后常温固化24小时，得到复合装甲板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将权利要求4中的对边长83mm的正六边形碳化硼陶瓷替换为11mm厚度边长为50mm的正方形碳化硼；5mm厚孔隙率30％的泡沫钛板替换为2mm厚度35％孔隙率的泡沫钛板；12mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板替换为8mm厚度超高分子量聚乙烯纤维层压板；固化1小时替换为固化5秒；常温固化24小时替换为常温固化48小时。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将权利要求4中的对边长83mm的正六边形碳化硼陶瓷替换为13mm厚度边长为50mm的正方形碳化硼；12mm厚的超高分子量聚乙烯纤维测压防弹背板替换为15mm厚度超高分子量聚乙烯纤维层压板；设定温度120℃、压力0.1MPa替换为设定温度75℃、压力10MPa。
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