CN113108645A - 聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，主要通过在防护结构中随机投入多层无序排列的多面体陶瓷块，并通过在在陶瓷块体间隙以及背面渗入聚脲抗爆涂层来粘接和填充陶瓷块体间隙，成型复合抗侵爆结构。该结构中多层无序排列的多面体陶瓷块在抵抗弹体侵彻时易使来袭弹体发生偏转，提高防护结构的抗侵彻能力。除此之外，该防护结构能够充分耦合陶瓷和聚脲涂层的力学性能，有效发挥陶瓷块体抗侵彻性能以及聚脲涂层的抗爆能力，提高了该复合结构的抗侵爆能力。
Description
技术领域
本发明涉及工程防护技术领域，尤其涉及一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构及其加工方法。
背景技术
侵爆类战斗部在对目标攻击的过程中，利用弹头的高强度性能对目标进行侵彻，在侵入介质一定深度或穿透介质进入结构内部时，引爆所携带的装药，对目标造成杀伤和破坏。针对该类战斗部的防护手段主要通过设置复合结构的防护层对该类战斗部的侵彻效应和爆炸效应分别进行防护。
随着新材料及新结构的不断发展，越来越多具有质量轻、抗侵爆能力强等优异综合力学性能的防护材料及结构被用作针对侵爆战斗部毁伤效应的有效防护设计中。陶瓷具有强度高、硬度高、防护系数高和密度低的特点，这使其具备了作为优质防护材料的条件，氧化铝、碳化硅和碳化硼等是目前广泛使用的装甲陶瓷。它们的硬度能够达到均质钢的三倍，而密度不到均质钢的一半。但陶瓷所固有的韧性低、易发生脆性断裂的缺点，使其不能作为防护材料单独使用。
聚脲是一种低密度、高韧性、耐冲击和耐腐蚀的弹性体，在工程结构的抗爆层设计中己经得到了广泛应用，特别是针对爆炸产生的冲击波防护性能优异。陶瓷与聚脲的复合应用可以充分发挥两者在抗侵爆方面的优点，为解决陶瓷断裂韧性差的固有不足、充分发挥聚脲粘结和抗冲击波毁伤能力提供了可行途径。
现有研究中，关于陶瓷/聚脲复合结构的抗侵爆性能的研究报道较少，缺乏系统的研究。李茂等人《空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性》一文中基于均质钢板、聚脉涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构并开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究，获得了聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲，增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效的结论。专利申请CN109867490A公开了一种陶瓷-聚脲复合板和制备方法，采用硅烷偶联剂酒精溶液对陶瓷片进行预处理，有效地提高了陶瓷-聚脲复合板中陶瓷与聚脲界面的粘结强度，降低了生产成本低。专利CN211824065U公开了一种整体嵌入式防弹陶瓷面板，由上陶瓷接板和下陶瓷接板相互嵌合组成，该陶瓷面板生产工艺简单，陶瓷单元相互嵌入拼接后的粘接强度进一步提高，进而提高了陶瓷面板的防弹性能。
通过以上研究可以发现目前针对陶瓷与聚脲的复合应用主要是充分利用了陶瓷的高强度、高硬度等材性特点进行抗侵彻结构设计，然而目前陶瓷类防护结构设计思路主要基于小块陶瓷拼接而成陶瓷复合板，该类防护结构的优点是抗多发打击能力强，缺点是拼接缝多，缝间隙控制难度大，即使在接缝处涂覆聚脲涂层，接缝处是防弹薄弱点，遮弹层实际有效防护面积小于陶瓷面板的面积。除此之外，该类防护结构着重考虑针对弹体侵彻能力的防护，在抗爆研究方面研究相对较少。
发明内容
针对现有技术中陶瓷-聚脲类防护结构拼接缝多、接缝处为防弹薄弱点、遮弹层实际有效防护面积小于陶瓷面板的面积、抗爆防护性能弱的问题，本发明提供一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，该结构生产工艺简单且充分利用了聚脲材料，节省成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，包括装甲钢箱体、多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层、聚脲涂层；所述装甲钢箱体为长方体结构，其顶面为预留的端盖面，其余四个侧面和底面为封闭结构；端盖面预留安装位置，用于安装盖板；所述聚脲涂层设置在装甲钢箱底部内侧或外侧，多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层填充于装甲钢箱体内部。
进一步地，所述聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构还包括聚脲分散层，所述聚脲分散层位于多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层上方并紧贴于盖板下表面。
进一步地，所述装甲钢箱体用钢板轧制或焊接加工制作，钢板厚度为2mm。
进一步地，所述聚脲分散层上分布有聚脲浇注孔。
进一步地，所述多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层包括的多面体陶瓷块体和涂覆于其表面的聚脲涂料。
进一步地，所述多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层为多层，多面体陶瓷块体间无序排列。
进一步地，所述多面体陶瓷块体为多边形凸多面体。
进一步地，所述多面体陶瓷块体为空心结构。
聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构的加工方法如下：
S1、将多面体陶瓷块体随机投放到装甲钢箱体内部，投放完毕后利用振动棒振捣箱体内部陶瓷块，待箱体内陶瓷块深度不下降时再次投入陶瓷块，重复以上工作，直到陶瓷块密实填充满箱体；
S2、将聚脲分散层覆盖于陶瓷块体顶部并加热聚脲涂料，待涂料处于融化状态，将融化的聚脲涂料通过聚脲分散层灌注到装甲钢箱体内部，当液态聚脲涂料流经各层陶瓷块体结构表面时会均匀将聚脲涂料涂覆于陶瓷块体表面且多余的聚脲涂料会继续流经下层陶瓷块体，填充到各陶瓷块间隙并最终流淌至装甲钢箱体底部；
S3、待箱体底部的聚脲涂料厚度达到最低抗爆涂层厚度即停止浇注聚脲涂料，箱体底部的聚脲涂料凝固后可形成聚脲涂层，或者在箱体底部直接涂覆聚脲涂料代替聚脲涂层；
S4、待聚脲涂料冷却后盖上盖板即可成型聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构。
进一步地，针对不同大小的防护目标可采用多个聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构间以模块化方式进行拼接。
本发明的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构优势在于：该结构中多面体陶瓷块在抵抗弹体侵彻时易使来袭弹体发生偏转，提高防护结构的抗侵彻能力。除此之外，该防护结构能够充分耦合陶瓷和聚脲材料的力学性能，有效发挥陶瓷块体抗侵彻性能以及聚脲涂层的抗爆能力，提高了该复合结构的抗侵爆能力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为装甲钢箱体内多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层的形成过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，包括装甲钢箱体1、聚脲分散层2、多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层3、聚脲涂层4。
装甲钢箱体1为长方体结构，其顶面为预留的端盖面，其余四个侧面和底面为封闭结构；端盖面预留端盖安装位置用于安装盖板6；聚脲涂层4位于装甲钢箱体底部，多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层3位于聚脲涂层4上方，包括2～3层；聚脲分散层2位于多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层3上方，聚脲分散层2上分布有聚脲浇注孔5，聚脲分散层2紧贴于盖板6下表面，装甲钢箱体1用钢板轧制或焊接加工制作，钢板厚度为2mm。
为实现对来袭弹体的高效费比防护目标：
(1)多面体陶瓷块体7的结构尺寸可取来袭弹体弹径的1.5-3倍；
(2)多面体陶瓷块体结构7为多边形凸多面体，该多边形凸多面体可以为同一种结构尺寸也可以为不同面数的凸多面体结构，当为不同面数的凸多面体结构时要求多面体结构尺寸在一个数量级。经过优化配置后的多面体陶瓷块体要求经过随机投放即可实现多面体之间的紧密配合、密实填充；
(3)多面体陶瓷块体7随机投放到装甲钢箱体1中，投放完毕后利用振动棒振捣箱体内部陶瓷块；待箱体内陶瓷块深度不下降时再次投入陶瓷块，重复以上工作，直到陶瓷块密实填充满箱体，多面体陶瓷块体7沿弹体侵彻方向至少要铺设2-3层；
(5)多面体陶瓷块体7若为陶瓷材质，可选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷中的一种或者多种，其中在多种陶瓷块体材料的布设中选择陶瓷材料密度大、硬度大、抗侵彻能力强、易使弹体发生偏转的陶瓷材料置于迎弹面。在不影响该防护结构的原则下，陶瓷块体7也可以制成空心结构，空心结构除了能够减轻结构单位面积的重量外还能在弹体侵彻过程中发生破碎进而进一步吸收弹体的冲击能量。
(6)聚脲涂料采用浇注的方式填充到装甲钢箱体1内部，将聚脲分散层2覆盖于陶瓷块体7顶部并加热聚脲涂料，待涂料处于融化状态，将融化的聚脲涂料通过聚脲分散层2灌注到装甲钢箱体1内部，当液态聚脲涂料流经各层陶瓷块体7结构表面时会均匀地将聚脲涂料涂覆于陶瓷块体表面，多余的聚脲涂料会继续流经下层陶瓷块体7，填充到各陶瓷块间隙并最终流淌至装甲钢箱体1底部，聚脲分散层2上的聚脲浇注孔5保证了熔化的聚脲涂料能均匀分散。
(7)待箱体底部的聚脲涂料厚度达到最低抗爆涂层厚度即停止浇注聚脲涂料，箱体底部的聚脲涂料凝固后可形成聚脲涂层4，待聚脲涂料冷却后盖上盖板即可成型聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构；聚脲涂层4的厚度即为防护结构抗爆层厚度，该抗爆层厚度应该根据来袭武器所携带炸药的TNT当量确定，浇注时的速度以能够均匀涂覆到各层陶瓷块7表面为宜。
(8)迎弹面处的第一层陶瓷块体7也可通过预先喷涂的方式将聚脲涂料涂覆于陶瓷块体表面，聚脲涂层4也可通过直接在装甲钢箱体外部涂覆一定厚度的聚脲涂料代替。
(9)聚脲涂层材质可以选择抗爆性能优异、热塑性好且流动性强的聚脲材料。涂覆于陶瓷块体表面的聚脲涂层增强了陶瓷块体的抗侵彻能力，滞留于陶瓷块体间的聚脲涂料加强了防护结构中陶瓷块体之间关联程度，进一步提高了结构的整体抗侵彻和抗爆炸冲击波的毁伤能力，凝固于装甲钢箱体底部的聚脲涂料显著提高了结构的整体抗爆炸冲击波能力。
(10)多面体陶瓷块体7的材料可更换为金属基陶瓷复合材料、高抗力金属单质或合金材质以及含能材料组成的可反应材料等，聚脲涂料可以替换为能够增加块体表面张力、提高块体结构强度的具有相似特性的抗爆材料。
(11)针对不同大小的防护目标可采用多个聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构间以模块化方式进行拼接。
聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构的抗侵爆作用过程如下:
当来袭弹体侵彻多面体陶瓷块时，若着弹点位于陶瓷块体表面则会因为随机投放的陶瓷块体倾斜或者陶瓷块体的迎弹面倾斜而产生弹体的偏转；若着弹点位于两陶瓷块体之间时，当作用于下一层陶瓷块体时大概率的也会发生作用于陶瓷块体表面而发生弹体偏转的效果，即只要弹体侵彻进入遮弹层后就会发生偏转。
除此之外，在弹体开始侵彻迎弹面的陶瓷块体后，陶瓷块体破碎及变形吸收大量能量时，陶瓷块体会将受到的力通过临近陶瓷块体和聚脲涂料迅速传递给周围结构，随着弹体在结构内持续运动，受力的陶瓷块体越来越多，从而带动结构内几乎所有的陶瓷块体及聚脲涂料产生运动和变形，在短时间内消耗更多的弹体动能，显著提高了结构整体抗侵彻性能。
弹体经过前级陶瓷块体的作用最终会停滞于结构内部，此时弹体内携带的炸药发生爆炸，爆炸产生冲击波，冲击波经过弹体未穿透的剩余表面涂覆抗爆聚脲涂层的陶瓷块体时冲击波强度产生一定程度的初级衰减，之后冲击波经过装甲钢箱体底部的聚脲抗爆涂层后发生冲击波强度的显著衰减，幅值显著衰减后的冲击波强度可满足工程防护阈值需要。该聚脲分散渗入防护结构可显著提高针对侵爆战斗部的防护能力。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：包括装甲钢箱体、多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层、聚脲涂层；所述装甲钢箱体为长方体结构，其顶面为预留的端盖面，其余四个侧面和底面为封闭结构；端盖面预留安装位置，用于安装盖板；所述聚脲涂层设置在装甲钢箱底部内侧或外侧，多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层填充于装甲钢箱体内部。
2.根据权利要求1所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：还包括聚脲分散层，所述聚脲分散层位于多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层上方并紧贴于盖板下表面。
3.根据权利要求1或2所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述装甲钢箱体用钢板轧制或焊接加工制作，钢板厚度为2mm。
4.根据权利要求2所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述聚脲分散层上分布有聚脲浇注孔。
5.根据权利要求1或2所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层包括的多面体陶瓷块体和涂覆于其表面的聚脲涂料。
6.根据权利要求5所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述多面体陶瓷块体为多边形凸多面体。
7.根据权利要求5所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述多面体陶瓷块体-聚脲涂覆层为多层，多面体陶瓷块体间无序排列。
8.根据权利要求5所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，其特征在于：所述多面体陶瓷块体为空心结构。
9.一种聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构的加工方法，其特征在于，用于加工权利要求1至8任一所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构，包括如下步骤：
S1、将多面体陶瓷块体随机投放到装甲钢箱体内部，投放完毕后利用振动棒振捣箱体内部陶瓷块，待箱体内陶瓷块深度不下降时再次投入陶瓷块，重复以上工作，直到陶瓷块密实填充满箱体；
S2、将聚脲分散层覆盖于陶瓷块体顶部并加热聚脲涂料，待涂料处于融化状态，将融化的聚脲涂料通过聚脲分散层灌注到装甲钢箱体内部，当液态聚脲涂料流经各层陶瓷块体结构表面时会均匀将聚脲涂料涂覆于陶瓷块体表面且多余的聚脲涂料会继续流经下层陶瓷块体，填充满各陶瓷块间隙并最终流淌至装甲钢箱体底部；
S3、待箱体底部的聚脲涂料厚度达到最低抗爆涂层厚度即停止浇注聚脲涂料，箱体底部的聚脲涂料凝固后形成聚脲涂层，或者在箱体底部直接涂覆聚脲涂料代替聚脲涂层；
S4、待聚脲涂料冷却后盖上盖板即可成型聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构。
10.根据权利要求9所述的聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构的加工方法，其特征在于：针对不同大小的防护目标可采用多个聚脲分散渗入多面体陶瓷块防护结构间以模块化方式进行拼接。
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