CN112461050A - 一种包含金属点阵结构的防弹装甲 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种包含金属点阵结构的防弹装甲，包括上层、中层和下层，中层为陶瓷复合材料层，上层和下层均为金属与高分子复合材料层，所述金属与高分子复合材料层是高分子材料完全包覆单层或多层金属点阵结构形成的复合材料层。其中，所述金属点阵结构是由多个胞元沿x、y、z轴三向进行延拓布置形成，所述胞元结构由外骨架和内骨架共同组成。该防弹装甲具有较轻的重量，同时，又具有较强的连续抗击打能力，可以抵抗连续高速子弹冲击。
Description
技术领域
本申请涉及防弹装甲技术领域，具体涉及一种包含金属点阵结构的防弹装甲。
背景技术
现代飞机为提高实战中的生存能力，通常需要在飞机的关键部位安装防弹装甲。优良的装甲防护系统能够使飞机的主体及其中的人员安全得到更好的保护。目前，现有的防弹装甲的主要问题是防弹效果和重量之间的矛盾冲突。要达到良好的防弹效果往往需要牺牲重量，造成了飞机机动性能受限。
专利CN201510250746.2发明了一种轻质防弹装甲的制备方法，该装甲采用三明治夹心结构，芯部板材为碳化硅、石墨烯复合增强的铝基复合材料，面板和背板分别为5083和7A21高强度铝合金，三者之间通过金属胶粘结。该防弹装甲主要以陶瓷和金属为主，对飞机增重非常明显，严重影响飞机的机动性能。
专利CN201410463420.3发明了一种装甲板，包括防弹钢板、高分子聚乙烯板以及设于防弹钢板与高分子聚乙烯板之间的缓冲层，所述缓冲层具有微孔。该防弹装甲虽然有利于减轻重量，但当遇到高速子弹打击，其防御效果往往不佳。
发明内容
本申请的目的包括，例如，提供一种包含金属点阵结构的防弹装甲，以改善上述问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种包含金属点阵结构的防弹装甲，包括上层、中层和下层，中层为陶瓷复合材料层，上层和下层均为金属与高分子复合材料层，所述金属与高分子复合材料层是高分子材料完全包覆单层或多层金属点阵结构形成的复合材料层。
其中，所述金属点阵结构是由多个胞元沿x、y、z轴三向进行延拓布置形成，所述胞元结构由外骨架和内骨架共同组成，所述外骨架为多个筋条连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有筋条，所述内骨架是由多个筋条将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元。
金属点阵结构由多个胞元沿x、y、z轴三向延拓布置形成单层结构，多个单层金属点阵结构叠合形成多层结构，高分子材料将单层或多层的金属点阵结构完全包覆则形成完整的金属与高分子复合材料层。
进一步地，所述防弹装甲的中层厚度为1-30mm，且中层的厚度不大于防弹装甲总厚度的40%。
进一步地，所述金属与高分子复合材料层中的单层金属点阵结构厚度为5-30mm，金属与高分子复合材料层厚度为7-50mm。
进一步地，所述防弹装甲的上层、中层、下层的层间粘合固定。
进一步地，所述防弹装甲的中层陶瓷复合材料层为陶瓷材料选自Al2O3、SiC、B4C中的任意一种或多种。
进一步地，所述防弹装甲的金属与高分子复合材料层及陶瓷复合材料层中的高分子材料选自聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、超高分子量聚乙烯、芳纶、尼龙、ABS、SBS、聚碳酸酯中的任意一种或多种。
进一步地，所述防弹装甲的金属与高分子复合材料层中的金属材料选自钛、铝、钛合金、铝合金、Cr-Ni系高强度钢中的任意一种或多种，优选为钛合金。
进一步地，所述防弹装甲的筋条为直径0.1-3mm、轴长为4-30mm的圆柱体形状的杆体。
本发明实施例提供一种包含金属点阵结构的防弹装甲，具有较轻的重量，同时，又具有较强的连续抗击打能力，可以抵抗连续高速子弹冲击。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本申请实施例一中的防弹装甲结构示意图。
图2为本申请实施例一中的金属点阵的排布结构示意图。
图3为本申请实施例一中的胞元整体、内骨架、外骨架结构示意图。
附图标记：
101-上层、102-中层、103下层、300-胞元、301-内骨架、302-外骨架。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例提供以下方案：
实施例一
一种包含金属点阵结构的防弹装甲，如图1所示，包括上层101、中层102和下层103，中层102为陶瓷复合材料层，上层101和下层103均为金属与高分子复合材料层，所述金属与高分子复合材料层是高分子材料完全包覆单层或多层金属点阵结构形成的复合材料层。如图2所示，所述金属点阵结构是由多个胞元300沿x、y、z轴方向进行延拓布置形成的平整规律的连续结构，如图3所示，金属点阵结构的胞元300是由外骨架302和内骨架301共同组成，所述外骨架302为多个筋条连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有筋条，所述内骨架301是由多个筋条将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元。
特定设计的金属点阵结构，使得金属与高分子复合材料层具有较好的刚性和强度，同时，大大降低了材料整体的质量，镂空的点阵结构内置于高子材料中，当受到子弹打击，一方面金属点阵结构可以为高分子材料提供刚性支持，提高高分子材料吸收子弹冲击能量的能力，另一方面，金属点阵结构在吸收冲击能量后会坍塌形成致密的金属结构从而对子弹头造成破坏和钝化。上下两层金属与高分子复合材料层结合中层陶瓷复合材料层式的夹心结构，由于中层陶瓷复合材料层能够吸收弹体能量磨蚀钝化弹头，从而阻止子弹侵彻，同时，中层陶瓷复合材料层中的陶瓷材料位于上下两层之间且包裹于高分子材料之中，故其抗破碎性能大大提高，从而提高了防弹装甲的抗连续打击的能力。因此，该特定结构设计的防弹装甲具有较轻的重量，同时，又具有较强的连续抗击打能力，可以抵抗连续高速子弹冲击。
需要说明的是，金属与高分子复合材料层是高分子材料包覆于单层或多层金属点阵结构的，而金属点阵结构的分层划分是单层金属点阵结构的叠合层数来划分的，具体地，例如，当金属点阵结构由多个胞元沿x、y、z轴三向中的任意一向或两向（例如X轴方向或X、Y轴方向）进行延拓布置即形成单层结构，单层金属点阵结构再沿与单层结构延拓方向所不同的轴向（例如Z轴方向）叠合则形成多层结构，每单层金属点阵结构的厚度为5-30mm，而在单层或多层的金属点阵结构整体包覆有高分子材料则形成完整的金属与高分子复合材料层。
基于以上情况，可以对该技术方案进行进一步的优化设计，具体地，包括，例如，所述中层厚度为1-30mm，且中层的厚度不大于防弹装甲总厚度的40%。以获得优异的抗击打能力兼顾质轻特点。
再例如，所述上层、中层、下层的层间粘合固定，构成防弹装甲整体结构。
再例如，所述中层陶瓷复合材料层为陶瓷材料选自Al2O3、SiC、B4C中的任意一种或多种。
再例如，所述金属与高分子复合材料层及陶瓷复合材料层中的高分子材料选自聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、超高分子量聚乙烯、芳纶、尼龙、ABS、SBS、聚碳酸酯中的任意一种或多种。
再例如，所述金属与高分子复合材料层中的金属材料选自钛、铝、钛合金、铝合金、Cr-Ni系高强度钢中的任意一种或多种，优选为钛合金。
再例如，所述筋条为直径0.1-3mm、轴长为4-30mm的圆柱体形状的杆体，杆体为平直杆形。
实施例二
上述防弹装甲上下两层所涉及的金属与高分子复合材料层材料制备方法可以包括：
1）采用3D打印的方式，将金属原料制作成金属点阵结构，其中，金属点阵结构是由多个胞元沿x、y、z轴方向进行延拓布置形成的平整规律的连续结构，金属点阵结构的胞元是由外骨架和内骨架共同组成，所述外骨架为多个筋条连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有筋条，所述内骨架是由多个筋条将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元；
2）将制作好的金属点阵结构置于模具之中，注入热塑性聚氨酯弹性体，经过保压，冷却后开模取出。
该方法中金属与高分子复合材料层的厚度可视需要来调节3D打印时金属点阵的筋条长度以及高分子材料的包覆量。
上述防弹装甲中层所涉及的陶瓷复合材料层材料制备方法可以包括：
将陶瓷板层置于模具中，注入聚碳酸酯树脂，经过保压，冷却后开模取出。
该方法中陶瓷复合材料层的厚度可视需要来调节陶瓷板层的厚度以及高分子材料的包覆量。
具体地，上述防弹装甲的制备方法，例如，包括以下步骤：
1）上层金属与高分子复合材料层的制备
a）以钛合金为原料，采用3D打印的方式制作金属点阵结构，其中，金属点阵结构由软件设计模型然后3D打印模型获得，具体的结构模型是：由多个胞元沿x、y、z轴方向进行延拓布置形成的平整规律的连续结构，金属点阵结构的相同胞元是由外骨架和内骨架共同组成，所述外骨架为多个平直杆体连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有平直杆体，所述内骨架是由多个平直杆体将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元；
b）将制作好的金属点阵结构置于模具之中，注入热塑性聚氨酯弹性体，经过保压，冷却后开模取出；
其中，金属与高分子复合材料层的整体厚度为16mm；
2）中层陶瓷复合材料层的制备
将5mm厚B4C板置于模具中，注入聚碳酸酯树脂，经过保压，冷却后开模取出；
其中，陶瓷复合材料层的整体厚度为7mm。
3）下层金属与高分子复合材料层的制备
a）以钛合金为原料，采用3D打印的方式制作金属点阵结构层，其中，金属点阵结构由软件设计模型然后3D打印模型获得，具体的结构模型是：由多个相同胞元沿x、y、z轴方向进行延拓布置形成的平整规律的连续结构，金属点阵结构的胞元是由外骨架和内骨架共同组成，所述外骨架为多个平直杆体连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有平直杆体，所述内骨架是由多个平直杆体将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元；
b）将制作好的金属点阵结构层置于模具之中，注入热塑性聚氨酯弹性体，经过保压，冷却后开模取出；
其中，金属与高分子复合材料层整体厚度为12mm。
4）将上层、中层、下层三层材料用粘合剂连接在一起，制备得到防弹装甲。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种包含金属点阵结构的防弹装甲，包括上层、中层和下层，中层为陶瓷复合材料层，其特征在于，所述上层和下层均为金属与高分子复合材料层，所述金属与高分子复合材料层是高分子材料完全包覆单层或多层金属点阵结构形成的复合材料层；
其中，所述金属点阵结构是由多个胞元沿x、y、z轴三向进行延拓布置形成，所述胞元结构由外骨架和内骨架共同组成，所述外骨架为多个筋条连接而成的正六面体镂空结构，且正六面体镂空结构中各面的对角线也连接有筋条，所述内骨架是由多个筋条将外骨架各对角线交点作为角点连接形成的正八面体镂空结构，外骨架各面的对角线交点与对应的内骨架各角点之间结合，形成一个完整的胞元。
2.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述中层厚度为1-30mm，且中层的厚度不大于防弹装甲总厚度的40 %。
3.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述单层或多层金属点阵结构中的单层金属点阵结构厚度为5-30mm，高分子材料包覆后的金属点阵结构层厚度为7-50mm。
4.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述上层、中层、下层的层间粘合固定。
5.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述中层陶瓷复合材料层为陶瓷材料选自Al2O3、SiC、B4C中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述金属与高分子复合材料层及陶瓷复合材料层中的高分子材料选自聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、超高分子量聚乙烯、芳纶、尼龙、ABS、SBS、聚碳酸酯中的任意一种或多种。
7.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述金属与高分子复合材料层中的金属材料选自钛、铝、钛合金、铝合金、Cr-Ni系高强度钢中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述防弹装甲，其特征在于，所述筋条为直径0.1-3mm、轴长为4-30mm的圆柱体形状的杆体。
9.根据权利要求7所述防弹装甲，其特征在于，所述金属与高分子复合材料层中的金属材料为钛合金。
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