CN111272017A - 一种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其结构依次包括最表层的止裂层、若干陶瓷块胶接成的陶瓷面板层、纤维增强复合材料的中间传力层及由轻质合金材料的背板层，各结构层之间通过粘结胶粘接形成整体复合板。止裂层主要起压实陶瓷面板层、防止破碎后的陶瓷块飞溅和提高复合板整体刚度的作用；陶瓷面板层具有抗多发打击能力，陶瓷块能通过自身破碎来吸收掉子弹的大量动能；中间传力层能通过纤维变形甚至拉伸断裂来大量吸能，进一步降低子弹的穿透能量，且自身无二次杀伤能力；背板层可发生弹塑性变形，进一步吸收子弹的剩余动能，最后的剩余能量会扩散到整个背板上，最终达到抗侵彻的目的。整体密度大大降低，具有轻质高强的优势。
Description
技术领域
本发明属于装甲防护领域，具体涉及一种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板。
背景技术
随着现代军事力量的不断发展，各种大规模杀伤性武器相继出现，为了提高现代战场上士兵们的生存能力，装甲防护领域的发展迫在眉睫。传统的装甲系统由典型的整体高强度钢板组成，然而，高强度钢板所组成的装甲系统自重过大，很难灵活的适应战场的改变，所以现阶段高强度装甲钢板组成的装甲系统主要适用于重型坦克，而对于轻型战车而言，需要使用一种能在保证防护水平的同时重量尽可能轻的装甲，由于单一的材料无法满足现今战车这种轻质高强的装甲防护需求，所以这就为由多层材料所组成的复合装甲领域提供了广阔的发展前景。
经过多年的大量实验研究，陶瓷和聚合体基质复合材料组合成的装甲防护系统已经大量应用于装甲战车上。复合装甲是一个多层装甲系统，它是由陶瓷做面板抵抗高强度、高硬度打击和复合材料做背板支撑组成。陶瓷主要是通过破碎和磨蚀子弹来减轻作用来背板上的力，背板复合材料通过弹塑性变形来吸收剩余的能量，但是单独整块陶瓷块在需求结构复杂时不但难以成型、受到冲击时容易发生飞溅发生二次杀伤而且抗多发打击能力弱，往往在承受单发弹丸冲击作用下就碎裂失去原有的抗弹性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种既能保证抗弹性能又能避免飞溅伤害的超轻抗弹复合板，尤其适用于制造轻型战车。
本发明提供的这种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其结构依次包括最表层的止裂层、若干陶瓷块胶接而成的陶瓷面板层、纤维增强复合材料的中间传力层及由轻质合金材料的背板层，各结构层之间通过粘结胶粘接形成整体复合板。
上述技术方案的一种实施方式中，所述止裂层为机织布。
上述技术方案的一种实施方式中，所述陶瓷块为B4C陶瓷，其形状为方形。
上述技术方案的一种实施方式中，所述中间传力层为超高分子量聚乙烯板。
上述技术方案的一种实施方式中，所述背板层为7075铝合金板。
上述技术方案的一种实施方式中，所述陶瓷块以上下、左右对齐排布，相邻陶瓷块之间的接缝中压实填满粘结胶。
上述技术方案的一种实施方式中，所述止裂层、陶瓷面板层、中间传力层和背板层之间分别形成胶接层。
上述技术方案的一种实施方式中，所述粘结胶为环氧树脂胶。
上述技术方案的一种实施方式中，所述止裂层的厚度为0.5～1.5mm，陶瓷面板层的厚度为14～16mm，中间传力层的厚度为5～7mm，轻质合金层的厚度为5～7mm。
上述技术方案的一种实施方式中，所述中间传力层的超高分子量聚乙烯纤维采用[(45/-45)n]s的对称铺层方式热压成型。
本发明在陶瓷面板层的前侧胶接止裂层、后侧依次胶接中间传力层和背板层。止裂层主要起到压实陶瓷面板层、防止破碎后的陶瓷块飞溅和提高复合板整体刚度的作用；陶瓷面板层采用若干陶瓷块胶接而成，具有抗多发打击能力，同时陶瓷块破碎对子弹具有打断和研磨的作用，即陶瓷块能够通过自身破碎来吸收掉子弹的大量动能；中间传力层能够通过纤维变形甚至拉伸断裂来大量吸能，进一步降低子弹的穿透能量，且自身无二次杀伤能力；背板层可发生弹塑性变形，进一步吸收子弹的剩余动能，最后的剩余能量会扩散到整个背板上，最终达到抗侵彻的目的。另外，本发明各层材料的选取使复合板的整体密度较装甲钢材质的密度大大降低，且具有与对标厚度的均质装甲钢相同的抗弹性能，突出了轻质高强的优势，所以尤其适用于制造轻型装甲战车。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1中陶瓷面板层各陶瓷块的拼接布置示意图。
具体实施方式
结合图1、图2可以看出，本实施例公开的这种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，从外往内依次包括止裂层1、陶瓷面板层2、中间传力层3和背板层4，这四结构层之间分别通过粘接胶粘接形成整体复合板。
粘接胶采用环氧树脂，因为它具有较高的粘接强度和良好的机械性能，适用于受力部位的粘接，常用于金属、非金属、陶瓷之间的粘接，对于增强防弹结构整体的强度具有一定的帮助。
止裂层1采用厚度为1mm厚的机织布，机织布本身基本不具有抗侵彻能力，但是通过粘结胶覆盖在陶瓷面板层外侧能很好的起到压实陶瓷面板层2从而提升复合板的整体刚度和防止陶瓷破碎飞溅的效果。
陶瓷面板层2由若干小尺寸形状为方形的B4C陶瓷块拼接而成。
经多次更改陶瓷厚度进行试验并保证装甲轻量化的基础上，将陶瓷面板层的厚度选取为15mm。
陶瓷块拼接时，将相邻的接缝中填满压实粘结胶。因为当子弹冲击区域位于两陶瓷块之间的粘接区域时，由于该区域具有缝隙可能会导致抗弹性能减弱，若粘接剂性能不佳，则陶瓷块交界处易发生脱粘现象，而对陶瓷块之间的缝隙使用环氧树脂压实填满后，借由环氧树脂优秀的粘接强度可以克服这一现象。
B4C陶瓷在当今防弹陶瓷中硬度最高、密度最低，所以具有优良的防弹能力及同等面积下较轻的重量。
陶瓷面板层2采用陶瓷块拼接的方式成型，使其具有很强的抗多发打击能力。
中间传力层3采用纤维增强复合材料板，其材料为超高分子量聚乙烯。经过试验验证，当陶瓷面板层和中间传力层的厚度比接近2:1时，抗弹性能最好，所以讲中间传力层的厚度选取为6mm。
超高分子量聚乙烯的密度仅为0.98g/cm3，其具有现今纤维增强复合材料中最高的比强度，比模量仅次于碳纤维，具有单向多层结构，一般由浸润了聚氨酯的单向纤维布热压而成。
经试验验证，超高分子量聚乙烯纤维采用连续的±45°铺层能够使其防弹的力学性能达到最佳，故本实施例所使用的超高分子量聚乙烯纤维其铺层方式为[(±45°)4]s的对称铺层，若干聚乙烯子层通过热压形成纤维板。
背板层4采用度小、强度高的7075系铝合金，其声阻抗值低于装甲钢，所以其对子弹的阻碍作用优于装甲钢。并且从以往的试验中发现，单位质量铝合金的防护性能优于装甲钢。所以在不降低抗弹性能的情况下，背板层4采用7075系铝合金代替装甲钢，可大大地降低装甲车辆的自重，有利于提高装甲车辆的机动性能。
轻质铝金属背板对其前面的陶瓷面板层和中间传力层能够起到一定的支撑作用，并且作为三层复合装甲的最后一道防线，同样需要一定的厚度才能使防弹装甲整体的刚度得到保证，经过多次冲击实验，在保证所发明装甲具有足够抗弹性能和轻量化的前提下取为6mm。
本复合板的各层之间在胶接时，是先以背板层作为基板，在其粘结面涂满合适厚度的粘结胶，然后再在粘结胶的表面铺设中间传力层，随后在中间传力层的外侧涂满合适厚度的粘结胶，接着按要求铺设组成陶瓷面板层的小尺寸陶瓷块，最后在陶瓷块的外侧涂满粘结胶后铺设机织布作为止裂层形成多层复合板。成型后的复合板，相邻层之间有粘接层5，整体性好。
本复合板具有较强的抗弹能力的原理如下：
当子弹穿过机织布冲击拼接式的陶瓷面板时，冲击区域及其相邻区域会因为受到巨大冲击力一部分形成陶瓷锥，另一部分发生破碎失去抗弹性能，破碎的陶瓷由于机织布的约束作用无法发生飞溅，失去二次杀伤的能力，由于冲击力以横波的形式扩从冲击区域散开后其余区域的陶瓷块受到的冲击力远小于冲击区域，所以陶瓷块不会发生破碎，能够保有原有的抗弹性能，陶瓷面板是防弹能力的第一道且最关键的屏障。
当子弹穿过陶瓷面板后，破碎的陶瓷碎片和侵彻陶瓷时形成的陶瓷锥会具有和子弹相同的速度方向，共同侵彻中间传力层，当子弹到达中间传力层时，纤维增强复合材料传力层不但能通过纤维断裂吸收大部分冲击物的动能，同时还能抵抗部分碎片所产生的二次杀伤，可极大的提高陶瓷面板的刚度，很大程度上弥补了整块陶瓷面板在大冲击作用下过脆的缺点，所以纤维增强复合材料的中间传力层是防弹结构的第二道屏障。
若子弹能穿过中间传力层来到背板层，由于轻质铝合金的背板可发生弹塑性变形，通过弹塑性变形来进一步吸收子弹的剩余动能，最后的剩余能量会扩散到整个背板上，最终达到抗侵彻的目的。轻质铝合金作背板作为防弹结构的第三道屏障，能够进一步降低抗弹结构被穿透的概率。
上述厚度的各结构层形成的复合板通过有限元相关计算得出如下结论：可防住12.7mm子弹在距离靶板100m处以802m/s的速度进行的正侵彻，达到了30mm装甲钢所具有的防弹水平。
而使用本复合板制造的装甲战车其重量远低于30mm的装甲钢制造的装甲战车，轻量化程度能达到60％以上。
为了进一步验证本复合板的抗弹性能，将上述厚度的复合板制作为正方形的靶板，对其进行了12.7mm穿燃弹实弹打靶试验。
试验结果为子弹未能穿透中间传力层的第二层纤维，背板隆起35.2mm。对照国标的损伤标准表可知，本复合板达到了二级防弹标准。
另外经过试验证明，陶瓷面板层的厚度每增加1mm，本复合板制作的装甲的抗弹性能还将大大增加。
Claims (10)
1.一种适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：其结构依次包括最表层的止裂层、若干陶瓷块胶接而成的陶瓷面板层、纤维增强复合材料的中间传力层及由轻质合金材料的背板层，各结构层之间通过粘结胶粘接形成整体复合板。
2.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述止裂层为机织布。
3.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述陶瓷块为B4C陶瓷，其形状为方形。
4.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述中间传力层为超高分子量聚乙烯板。
5.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述背板层为7075铝合金板。
6.如权利要求3所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述陶瓷块以上下、左右对齐排布，相邻陶瓷块之间的接缝中压实填满粘结胶。
7.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述止裂层、陶瓷面板层、中间传力层和背板层之间分别形成胶接层。
8.如权利要求7所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述粘结胶为环氧树脂胶。
9.如权利要求1所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述止裂层的厚度为0.5～1.5mm，陶瓷面板层的厚度为14～16mm，中间传力层的厚度为5～7mm，轻质合金层的厚度为5～7mm。
10.如权利要求4所述的适用于制造轻型战车的超轻抗弹复合板，其特征在于：所述中间传力层由超高分子量聚乙烯纤维采用[(45/-45)n]s的对称铺层方式热压成型。
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