CN112595175A - 一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板及防弹装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及防弹插板技术领域，提供了一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板，包括插板本体，插板本体包括陶瓷层，陶瓷层上均匀设置有异型孔，靠近异型孔侧的陶瓷层表面连接有第一止裂层，远离异型孔侧的陶瓷层表面连接有第二止裂层，远离陶瓷层侧的第二止裂层侧表面连接有聚乙烯层；当子弹打击靠近第一止裂层侧的陶瓷层表面时，子弹与陶瓷层碰撞接触。一方面子弹的弹体深入异型孔内时，异型孔能够限制陶瓷层产生周向和径向裂纹的扩展区域，提高抗多次打击能力。另一方面当子弹射入异型孔附近时，子弹接触位置的受力非垂直于弹体轴向，将产生明显的偏转力矩，导致侵彻弹道的偏转，改变了子弹继续侵彻的方向。
Description
技术领域
本发明涉及防弹插板技术领域，具体涉及一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板及防弹装置。
背景技术
在实战环境下,轻型装甲和人员主要面临普通钢芯弹、小口径穿甲弹和高速破片等多次打击的威胁。如7.62mm穿燃弹可穿透22mm TC4钛合金装甲板，若作用在人体，其威力会对人员会造成致命伤害。对于这类子弹的威胁，目前有效的防护手段是采用陶瓷/高分子材料形式的复合结构防弹设计，陶瓷材料的硬度非常高，密度较金属材料(如钢材)小很多，耐磨损，耐腐蚀，耐高温，而高分子材料质轻、柔韧性好、吸能效果显著。陶瓷/高分子材料的复合使其具备了极佳的防弹性能，能对步/机枪普通钢芯弹、穿燃弹、穿甲弹等进行有效的防护。目前，常用的防弹插板主要采用整体陶瓷板和高分子量聚乙烯(PE)板的复合形式，陶瓷层作为迎弹面，当子弹撞击到面板时，由于陶瓷的硬度和弹性模量高出弹头/弹芯很多，弹体在侵彻过程中会发生磨蚀、弯曲、断裂等现象，而陶瓷板在复杂应力波作用下形成粉末/破碎的陶瓷锥区域，吸收弹体的能量；背板高分子量聚乙烯与陶瓷板通过高强度胶进行粘接，一是起到减少反射应力波的作用，防止陶瓷锥区域过大，二是提高防弹结构整体的抗弯强度，减少裂纹破坏区域的扩展范围。陶瓷和高分子量聚乙烯复合层的材料力学性能以及两者之间的粘结质量是防弹结构的关键技术。
目前，现有技术中大量防弹产品的改进主要集中在陶瓷材料、高分子量纤维材料微观和宏观力学性能的提升，以及陶瓷/高分子量聚乙烯板粘结工艺的提升。在陶瓷结构领域相关研究较少，陶瓷材料一般采用整体曲面、平面陶瓷或者模块化小陶瓷拼接的形式。现有防弹结构在实际使用过程中，发现如下的问题：1)整体陶瓷板防护结构抗多发性能差，由于整体陶瓷板在抗第1发打击后，其周向和径向裂纹的扩展区域比较大，会直接影响抗多次打击的防护性能，且根据试验测试结果发现，整体陶瓷板防护结构的抗多发背板背凸显著高于第一发的背板背凸；2)模块化小陶瓷拼接的防护结构可以有效控制裂纹的扩展区域，但陶瓷与陶瓷连接的区域较多，工艺的一致性无法保证，当子弹打击到陶瓷拼接处，存在更高的击穿风险，另一方面，模块化拼接难以解决多曲面防护结构的成型一致性问题。
如何有效地解决上述技术问题，是目前本领域技术人员需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板。
抗多发异形整体陶瓷防弹插板，包括插板本体，所述插板本体包括：
陶瓷层，所述陶瓷层上设置有多个异型孔；
靠近所述异型孔侧的所述陶瓷层表面连接有第一止裂层；
远离所述异型孔侧的所述陶瓷层表面连接有第二止裂层；
远离所述陶瓷层侧的所述第二止裂层侧表面连接有聚乙烯层。
进一步地，所述异型孔的一侧端部设置在靠近所述第一止裂层侧的所述陶瓷层表面，所述异型孔的另一侧端部设置在所述陶瓷层内。
进一步地，所述异型孔的一侧边垂直于所述陶瓷层，所述异型孔的其它侧边不垂直于所述陶瓷层。
进一步地，设置在所述陶瓷层表面的所述异型孔的端部为第一端部，设置在所述陶瓷层内的所述异型孔的端部为第二端部；
所述第一端部的直径大于所述第二端部的直径。
一种防弹装置，包括防弹装置本体，所述防弹装置本体内设置有上述抗多发异形整体陶瓷防弹插板。
当子弹打击靠近第一止裂层侧的陶瓷层表面时，子弹与陶瓷层碰撞接触。一方面子弹的弹体深入异型孔内时，异型孔能够限制陶瓷层产生周向和径向裂纹的扩展区域，提高抗多次打击能力。另一方面当子弹射入异型孔附近时，子弹接触位置的受力非垂直于弹体轴向，将产生明显的偏转力矩，导致侵彻弹道的偏转，改变了子弹继续侵彻的方向。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的插板本体的结构示意简图；
图2为本发明实施例中提供的异型孔的结构示意简图；
图3为本发明实施例中提供的靠近第一止裂层侧的陶瓷层表面的局部结构示意简图；
图4为本发明实施例中提供的另一种异型孔的结构示意简图；
图5为本发明实施例中提供的又一种异型孔的结构示意简图；
图6为本发明实施例中提供的另一种第一止裂层的结构示意简图；
图7为本发明实施例中提供的第一圆角的结构示意简图；
图8为本发明实施例中提供的第一凹陷的结构示意简图；
图9为现有技术中陶瓷平面结构的子弹撞击模拟图；
图10为现有技术中陶瓷平面结构的子弹模拟撞击时的靶板变形和被侵彻过程模拟图；
图11为现有技术中陶瓷平面结构的子弹模拟撞击的嵌入的子弹外形模拟图；
图12为本发明实施例中提供的插板本体的子弹撞击模拟图；
图13为本发明实施例中提供的插板本体的子弹模拟撞击时的靶板变形和被侵彻过程模拟图；
图14为本发明实施例中提供的插板本体的子弹模拟撞击的嵌入的子弹外形模拟图。
附图标记：
1、插板本体；
2、第一止裂层；
3、陶瓷层；
4、第二止裂层；
5、聚乙烯层；
6、异型孔；61、第一端部；62、第二端部；63、第一圆角；64、第二圆角；65、第一凹陷；66、第二凹陷；
7、通孔。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供的一实施例，如图1所示，一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板，包括插板本体1，插板本体1包括：
陶瓷层3，陶瓷层3上设置有多个异型孔6；
靠近异型孔6侧的陶瓷层3表面连接有第一止裂层2；
远离异型孔6侧的陶瓷层3表面连接有第二止裂层4；
远离陶瓷层3侧的第二止裂层4侧表面连接有聚乙烯层5。
在本实施例中，第一止裂层2加强了对陶瓷层3的防护，同时第一止裂层2作为陶瓷层3的连接层，在子弹打击陶瓷层3时，第一止裂层2有效控制陶瓷层3表面的裂纹扩展和破裂的陶瓷反向片飞溅。
当子弹打击靠近第一止裂层2侧的陶瓷层表面时，子弹与陶瓷层3碰撞接触。一方面子弹的弹体深入异型孔6内时，异型孔6能够限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，提高抗多次打击能力。另一方面当子弹射入异型孔6附近时，子弹接触位置的受力非垂直于弹体轴向，将产生明显的偏转力矩，导致侵彻弹道的偏转，改变了子弹继续侵彻的方向。
当子弹进入陶瓷层3但未射入异型孔6内时，由于子弹射入点的厚度最厚，并受到相邻异型孔6之间的反射应力波的作用，也限制了陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，并且能够提高异型孔6周围区域的抗多次打击能力。
本发明中的陶瓷层3是一块整体的陶瓷板材，未采用模块化小陶瓷拼接的防护结构，因此能够保证陶瓷层3的制作工艺的一致性，同时由于陶瓷层3是一块整体的陶瓷板材，陶瓷层3不存在拼接裂缝，避免了陶瓷层3的被击穿风险。并且，由于陶瓷层3是一块整体的陶瓷板材，陶瓷层3不存在拼接裂缝，有效实现了曲面防护结构的成型。
本发明提供的又一实施例，为了实现子弹在穿透第一止裂层2后，能够直接进入异型孔6内，以及使陶瓷层3对子弹实现拦截作用，如图1所示，将异型孔6的一侧端部设置在靠近第一止裂层2侧的陶瓷层3表面，异型孔6的另一侧端部设置在陶瓷层3内。
在本实施例中，异型孔6位于陶瓷层3的迎弹面，并且异型孔6不贯穿整个陶瓷层3，形成非通孔结构。
异型孔6内可以无填充物，也可以在异形孔6内填充密度为0.08～0.2g/cm3的聚酰亚胺泡沫。该填充物既可以提高第一止裂层2与陶瓷层3之间的粘结力，又具有一定的阻燃隔热功能。
本发明提供的又一实施例，为了实现子弹进入异型孔6内之后，改变子弹的穿入方向，如图1所示，异型孔6的一侧边垂直于陶瓷层3，异型孔6的其它侧边不垂直于陶瓷层3。
在本实施例中，当子弹进入异型孔6内，接触到不垂直于陶瓷层3的侧边时，其接触位置的受力非垂直于弹体轴向，将产生明显的偏转力矩，改变了子弹的穿入方向。垂直于陶瓷层3的侧边在防止子弹在改变方向后继续穿入的同时，也进一步地减轻了子弹的冲击力。
为了实现异型孔6的更多可能性，如图4所示，异型孔6的全部侧边也可以都不垂直于陶瓷层3。该实施方式的异型孔6除了进一步地改变了子弹的穿入方向外，起到的作用与一侧边垂直于陶瓷层3的异型孔6的作用相同。
本发明提供的又一实施例，为了优化异型孔6的两个端部，结合图2和图3，设置在陶瓷层3表面的异型孔6的端部为第一端部61，设置在陶瓷层3内的异型孔6的端部为第二端部62；
第一端部61的直径大于第二端部62的直径。
在本实施例中，由于第一端部61的直径大于第二端部62的直径，因此，一方面子弹更容易进入异型孔6的第一端部61内，另一方面使异型孔6的侧边实现倾斜状，从而使子弹进入异型孔6内后接触到异型孔6的侧边，改变子弹的方向并减弱子弹的冲击力，从而有助于使陶瓷层3实现对子弹的拦截。
本发明提供的又一实施例，结合图1、图2、图3、图4，第一端部61的直径为3mm至5mm，第二端部62的直径为第一端部61的直径的1/3至2/3，异型孔6的深度小于陶瓷层3厚度的1/2；
第一端部61的圆心与第二端部62的圆心之间的长度矢量在靠近第一止裂层2侧陶瓷层3切表面的投影距离，小于等于第一端部61的直径和第二端部62的直径之间的差值的一半。
在本实施例中，第一端部61的直径范围适用于大多数类型的子弹，第二端部62的直径范围结合异型孔6的深度范围及第一端部61的圆心与第二端部62的圆心之间的长度矢量，显著实现了限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，并且能够抗多次打击。
本发明提供的又一实施例，为了更好的实现应力波的传播和反射路径被扰乱，使陶瓷锥的形成区域被缩小，提高陶瓷层3的抗多发性能，结合图1、图2、图3、图4，相邻的第一端部61的圆心之间的距离为陶瓷层3厚度的0.8倍至1.2倍，并且任意相邻的第一端部61的圆心之间的间距相同。
进一步地，异型孔6也可以不均匀设置在陶瓷层3上，只要相邻的第一端部61的圆心之间的距离为陶瓷层3厚度的0.8倍至1.2倍内。
本发明提供的又一实施例，作为第一止裂层2的设置方式之一，如图1所示，第一端部61被第一止裂层2遮挡。
在本实施例中，第一止裂层2完整的与陶瓷层3相连接，进一步地的实现了限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，并且能够抗多次打击。
为了进一步地提升插板本体1的防水效果，远离陶瓷层3侧的第一止裂层2表面还可以设置有防水层。
本发明提供的又一实施例，作为第一止裂层2的另一种设置方式，如图6所示，第一止裂层2上均匀设置有与第一端部61位置相对应的通孔7。
在本实施例中，子弹直接通过通孔7进入异型孔6，在实现子弹通过异型孔6的侧边实现改变方向的同时，第一止裂层2通过与陶瓷层3之间相连接而形成的作用力，限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，并且能够抗多次打击。
本发明提供的又一实施例，为了方便子弹通过通孔7进入异型孔6中，如图6所示，通孔7与异型孔6相连通。
本发明提供的又一实施例，如图7所示，第一端部61与异型孔6的侧边之间的连接处设置有第一圆角63，第二端部62与异型孔6的侧边之间的连接处设置有第二圆角64；
第一圆角63的长度为0.5mm至1mm，第二圆角64的长度为0.5mm至1mm。
在本实施例中，第一圆角63和第二圆角64更进一步地增加了异型孔6的两个端部与异型孔6侧边之间的牵引力，同时结合第一圆角63和第二圆角64的长度范围，从而更好的限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，并且能够抗多次打击。
本发明提供的又一实施例，第一止裂层2与陶瓷层3之间通过连接件相连接；
陶瓷层3与第二止裂层4之间也通过连接件相连接。
在本实施例中，第一止裂层2的厚度为0.1mm至0.3mm，第二止裂层4的厚度也为0.1mm至0.3mm。该厚度的第一止裂层2和第二止裂层4，在辅助实现限制陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域的基础上，还能够减少插板本体1的整体厚度。
第二止裂层4与聚乙烯层5之间也通过连接件相连接。
连接件可以是高强度胶水构成的胶水层，也可以是现有技术中能够实现将第一止裂层2与陶瓷层3之间相连接，陶瓷层3与第二止裂层4之间相连接，及第二止裂层4与聚乙烯层5之间相连接的连接部件，或者在连接部件的表面涂有高强度胶水。
当采用高强度胶水时，粘结后应使第一止裂层2与陶瓷层3之间，及陶瓷层3与第二止裂层4之间无气孔和褶皱产生，而聚乙烯层5则将每一块聚乙烯材料逐层通过真空热压或铺层胶水粘接进行复合成一个完成的聚乙烯层5。由于连接部件非本发明中的重点，并且现有技术中的连接部件种类繁多，因此本实施例中不做详细描述。
本发明提供的又一实施例，如图8所示，垂直于陶瓷,3的异型孔的侧边上设置第一凹陷65，第一凹陷65朝向远离异型孔6的侧边侧凸起；
不垂直于陶瓷层3的异型孔6的侧边上设置第二凹陷66，第二凹陷66朝向远离异型孔6的侧边侧凸起。
在本实施例中，第一凹陷65和第二凹陷66在异型孔6的基础上，进一步地有利于子弹改变方向，同时起到缓冲子弹的作用力，实现陶瓷层3对子弹的拦截。
本发明提供的又一实施例，为了增加异型孔6侧边的粗糙度，异型孔6的侧边上设置有波纹。
在本实施例中，波纹增加了子弹的摩擦力，进一步地的辅助实现陶瓷层3对子弹的拦截。
本发明提供的又一实施例，为了增加异型孔6侧边的粗糙度，异型孔6的侧边呈阶梯状。
在本实施例中，阶梯状的侧边增加了子弹的摩擦力，进一步地的辅助实现陶瓷层3对子弹的拦截。
本发明提供的又一实施例，作为第二端部62的另一种设置方式，如图5所示，第二端部62的直径为0mm。
在本实施例中，第二端部62为尖角，进一步的实现陶瓷层3对子弹的拦截。
本发明提供的又一实施例，一种防弹装置，包括防弹装置本体，防弹装置本体内设置有抗多发异形整体陶瓷防弹插板。
在本实施例中，抗多发异形整体陶瓷防弹插板可具有上述任一实施例中的结构，从而使防弹装置本体既能拦截子弹，同时又能够限制抗多发异形整体陶瓷防弹插板中的陶瓷层3产生周向和径向裂纹的扩展区域，缩小靠近第二止裂层4侧的陶瓷层3产生的陶瓷锥直径，并且能够抗多次打击。
抗多发异形整体陶瓷防弹插板与防弹装置本体之间的连接方式，根据实际应用情况，采用任一现有技术中的连接方式即可。抗多发异形整体陶瓷防弹插板在防弹装置本体中的设置位置，根据实际应用情况进行选择。
防弹装置本体包括防弹衣、装甲车、飞行器、舰船、建筑物中的任一种。
在本发明中，聚乙烯层5中的聚乙烯为超高分子量聚乙烯。
陶瓷层3表面采用规则排列的异型孔结构，不仅可以提高陶瓷层3的整体抗弯刚度，还可以在子弹撞击陶瓷层3表面时，由于异型孔6的存在，使得应力波的传播和反射路径被扰乱，陶瓷锥的形成区域被缩小，显著提高防弹装置的抗多发性能。
陶瓷层3通过现有技术中的烧结工艺和机械加工实现表面异型孔6的阵列布置，工艺简单，成本可控，适用于氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硅以及氮化硼的陶瓷层3的整体成型。
以上所述并非是对本发明的限制，最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或替换，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (18)
1.一种抗多发异形整体陶瓷防弹插板，包括插板本体，其特征在于，所述插板本体包括：
陶瓷层，所述陶瓷层上设置有多个异型孔；
靠近所述异型孔侧的所述陶瓷层表面连接有第一止裂层；
远离所述异型孔侧的所述陶瓷层表面连接有第二止裂层；
远离所述陶瓷层侧的所述第二止裂层侧表面连接有聚乙烯层。
2.根据权利要求1所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述异型孔的一侧端部设置在靠近所述第一止裂层侧的所述陶瓷层表面，所述异型孔的另一侧端部设置在所述陶瓷层内。
3.根据权利要求2所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述异型孔的一侧边垂直于所述陶瓷层，所述异型孔的其它侧边不垂直于所述陶瓷层。
4.根据权利要求2所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述异型孔的侧边不垂直于所述陶瓷层。
5.根据权利要求3或4所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，设置在所述陶瓷层表面的所述异型孔的端部为第一端部，设置在所述陶瓷层内的所述异型孔的端部为第二端部；
所述第一端部的直径大于所述第二端部的直径。
6.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述第一端部的直径为3mm至5mm，所述第二端部的直径为所述第一端部的直径的1/3至2/3，所述异型孔的深度小于所述陶瓷层厚度的1/2。
7.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，
相邻的所述第一端部的圆心之间的距离为所述陶瓷层厚度的0.8倍至1.2倍，并且任意相邻的所述第一端部的圆心之间的间距相同；
所述第一端部的圆心与所述第二端部的圆心之间的长度矢量在靠近所述第一止裂层侧所述陶瓷层切表面的投影距离，小于等于所述第一端部的直径和所述第二端部的直径之间的差值的一半。
8.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述第一端部被所述第一止裂层遮挡。
9.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述第一止裂层上均匀设置有与所述第一端部位置相对应的通孔。
10.根据权利要求9所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述通孔与所述异型孔相连通。
11.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，
所述第一端部与所述异型孔的侧边之间的连接处设置有第一圆角，所述第二端部与所述异型孔的侧边之间的连接处设置有第二圆角；
所述第一圆角的长度为0.5mm至1mm，所述第二圆角的长度为0.5mm至1mm。
12.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，
所述第一止裂层与所述陶瓷层之间通过连接件相连接；
所述陶瓷层与所述第二止裂层之间也通过连接件相连接。
13.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，
垂直于所述陶瓷层的所述异型孔的侧边上设置第一凹陷，所述第一凹陷朝向远离所述异型孔的侧边侧凸起；
不垂直于所述陶瓷层的所述异型孔的侧边上设置第二凹陷，所述第二凹陷朝向远离所述异型孔的侧边侧凸起。
14.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述异型孔的侧边上设置有波纹。
15.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述异型孔的侧边呈阶梯状。
16.根据权利要求5所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板，其特征在于，所述第二端部的直径为0mm。
17.一种防弹装置，其特征在于，包括防弹装置本体，所述防弹装置本体内设置有权利要求1-16中任一项所述抗多发异形整体陶瓷防弹插板。
18.根据权利要求17所述防弹装置，其特征在于，所述防弹装置本体包括防弹衣、装甲车、飞行器、舰船、建筑物中的任一种。
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