CN113916055A - 一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板及制备方法，所述复合装甲板包括依次连接的底板、背板、玻纤布和陶瓷面板，所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，所述背板、玻纤布和陶瓷面板之间通过粘结剂连接，所述陶瓷面板由多块陶瓷单元阵列分布拼接而成，所述背板在对应的陶瓷单元拼接的位置刻有凹槽或切割有缝隙。该复合装甲板的制备方法包括先通过刻槽或切割进行弱连接背板加工制作；粘结陶瓷面板和背板；采用金属框和螺栓连接陶瓷面板、背板和底板。本发明提供的复合装甲板抗多发打击能力强、结构整体性较优，且工艺流程简单、合理。

Description

一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板及制备方法
技术领域
本发明涉及装甲技术领域，特别地，涉及一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板及制备方法。
背景技术
陶瓷复合装甲具有防护系数高、抗弹性能好和面密度较低等优点，其中陶瓷/背板结构形式简单、成本低廉，是目前常用的陶瓷复合装甲结构。这种复合装甲结构的抗弹机理为利用陶瓷材料的高硬度使弹丸破碎、磨蚀并降速，背板起支撑和约束陶瓷块的作用，同时通过塑形变形吸收陶瓷和弹丸碎片的剩余能量。对这种结构而言，形成完整陶瓷锥是发挥其抗弹性能的充分必要条件，面板与背板之间的黏结强度是形成陶瓷锥的重要条件。由于陶瓷材料的脆性特性，受单发打击后破碎面积较大，对后续抗侵彻能力影响大。为了提高其抗多发打击性能，目前多采用小尺寸陶瓷单元拼接的方式。
CN 106323093 B公开了一种复合结构防弹板及其制备方法，该陶瓷复合结构防弹板主要包括陶瓷层、纤维材料叠层、金属层和背板。整体连接关系为：金属板于背板的表面无缝拼装，形成金属层，纤维材料叠层平铺在金属层表面，陶瓷片在纤维材料叠层表面无缝拼装，形成陶瓷层，各层之间通过热固性或热塑性胶黏剂粘结。该复合结构采用小尺寸陶瓷片和金属板粘接连接，形状可为六边形、五边形或正方形；背板为整块延伸率在5％以上的复合材料板。该结构材料小尺寸陶瓷片和金属板粘接连接，单个陶瓷片与金属板侵彻过程中对周边结构的影响和破坏程度较小；然而，由于背板仍为整块复合材料板，在剩余弹体、陶瓷碎片和金属板的撞击下，背板变形较大，仍对周边背板区域及黏结层产生影响，导致后续抗弹性能及结构整体性降低；另外，由于背板的约束和支撑作用，金属板的大变形受到限制，其耗能效率未能充分发挥。
CN 108088312 A公开了一种组合式防弹陶瓷装甲拼接结构及其制备方法，包括表面缓冲层、多层陶瓷组合拼接结构层和包覆在外表面的整体刚性层，其中陶瓷块采用小尺寸陶瓷，拼接层数为2-3层；整体刚性层为包覆在外表面的碳纤维复合结构。该专利的背板也采用整块复合材料板。
CN 110631421 A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，其中陶瓷层组件由陶瓷小块拼接形成，并被封装层封装，背板设置在泡沫钛组件表面。该专利的背板也采用整块复合材料或金属材料板。
综上所述，目前陶瓷/背板复合装甲结构大多采用小尺寸陶瓷块加整块背板的结构形式，被打击区域的背板在侵彻过程中发生塑形大变形，从而对周边背板区域及黏结层产生影响，甚至层与层之间发生分离或崩落，导致后续抗弹性能及结构整体性降低。因此，需要对陶瓷/背板复合装甲结构的设计及制备工艺进行改进和优化。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板。该复合装甲板包括一种“弱连接”的背板，该背板可削弱弹丸撞击区域与周边区域的连接；在弹丸冲击过程中，背板沿弱连接区域发生冲塞破坏。由于弱连接的阻隔效应，减小周边区域的应力应变扰动，从而提高复合装甲板的抗多发打击能力。而且，背板和陶瓷面板之间提供空气间隙，为塞块的产生及非对称变形和偏转，以及剩余弹丸的偏航提供时间和空间，从而可有效减小弹丸后续侵彻能力。该复合装甲板抗多发打击能力强、结构整体性较优，且工艺流程简单、合理。
为实现上述目的，本发明提供了一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，所述复合装甲板包括依次连接的底板、背板、玻纤布和陶瓷面板，所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，所述背板和玻纤布之间、玻纤布和陶瓷面板之间均通过粘结剂连接，所述陶瓷面板由多块陶瓷单元阵列分布拼接而成，所述背板在对应的陶瓷单元拼接位置刻有凹槽或切割有缝隙。
进一步的，所述背板上刻槽截面形状为矩形或V字形，单面或双面刻槽，刻槽深度为背板厚度的0.4～0.8倍，刻槽宽度0.5～1.0mm。
进一步的，所述背板切割的缝隙是采用激光切割技术将切割缝宽度控制在0.2mm～0.5mm范围，在陶瓷单元各边拼接间隙对应位置对背板制作一定形式切割缝弱连接结构。
进一步的，所述陶瓷面板表面还粘贴包裹一层玻纤布或PE布。
进一步的，所述陶瓷面板四周设有和陶瓷面板大小匹配的金属框，采用金属框和螺栓将陶瓷面板、背板、缓冲垫和底板固定连接为一体。
进一步的，所述背板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种所述陶瓷块的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的一种或几种。
进一步的，所述陶瓷单元的形状为正方形、长方形、正六边形，或者含有一半的正方形、另一半为长方形或正六边形的组合图形。所述底板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种。所述的底板也可直接利用基础装甲(被防护结构)的防弹能力，或者与基础装甲共同组成间隙复合装甲的底板。
进一步的，所述粘结剂采用环氧类树脂、聚酰胺或氨基树脂，厚度为0.5mm～1.0mm。
本发明还提供了上述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板的制备方法，包括以下步骤：
1)对背板进行弱连接背板加工制作；
2)对各层材料接触面进行清理和金属板打磨；
3)粘结陶瓷面板和背板：首先在背板上均匀涂抹粘结剂，并覆盖一层玻纤布，然后在对应背板弱连接边界粘结陶瓷面板；
4)陶瓷面板和背板粘贴包裹1～2层玻纤布或PE布；
5)所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，采用金属框和螺栓将陶瓷面板、背板、缓冲垫和底板固定连接为一体。
进一步的，步骤1)对背板进行弱连接背板加工制作具体为：根据陶瓷单元的尺寸对背板进行刻槽或切割处理完成预定尺寸的制作。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板具有较优的抗多发弹打击能力，原因在于：弱连接的阻隔效应，减小周边区域的应力扰动，将损伤限制在打击单元范围内，未被打击单元粘结层损伤小，更有利于发挥复合装甲板的抗多发打击性能。
2、本发明所述包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板的抗弹过程同时发挥了各组件的耗能机制和偏航机制，其抗弹性能更优，原因在于：耗能机制包括高硬度陶瓷破碎弹丸，陶瓷锥扩大背板塑性变形范围，耗散和吸收弹丸动能；偏航机制包括陶瓷面板与背板的非对称阻力作用导致弹丸产生转动和偏航，降低其后续侵彻能力。且弹着点为中心区时，靶板依靠耗能机制发挥抗弹作用；偏心区则以耗能机制为主，同时发挥偏航效应；而板边区和拼缝区主要依靠偏航效应发挥重要抗弹作用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是陶瓷单元按3×3矩阵型式拼接成陶瓷面板的平面图；
图2是图1中A-A处的剖面图；
图3是背板采用不同形式刻槽的截面图；其中，图2中(a)为矩形截面单面刻槽，(b)为三角形截面单面刻槽，(c)为三角形截面双面刻槽；
图4是背板采用不同形式切割的设计平面图；其中，图4中(a)为沿单元边界中央制作一切割缝，(b)为制作两段均匀分布切割缝，(c)为制作三段均匀分布切割缝；
图5为本发明优选实施例1中弹着点的示意图：其中，图5中(a)为面板弹着点的示意图，(b)为底板弹着点的示意图；
图6为本发明优选实施例2中弹着点的示意图：其中，图6中(a)为面板弹着点的示意图，(b)为底板弹着点的示意图；
其中，1、底板，2、背板，3、玻纤布，4、陶瓷面板，5、间隔，6、缓冲垫，7、金属框，8、PE布，9、螺杆，10、螺母，11、螺栓孔，12、刻槽，13、切割缝，14、拼缝。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1至4所示，本发明提供了一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，所述复合装甲板包括依次连接的底板1、背板2、玻纤布3和陶瓷面板4，所述底板1和背板2的两端设有缓冲垫6使得底板1和背板2之间设有间隙5，所述背板2和玻纤布3之间、玻纤布3和陶瓷面板4之间均通过粘结剂连接，所述陶瓷面板4由多块陶瓷单元阵列分布拼接而成，陶瓷单元之间有拼缝14，所述背板2在对应的陶瓷单元拼接的位置(即拼缝的位置)刻有凹槽或切割有缝隙。
进一步的，所述背板上刻槽12截面形状为矩形或V字形，单面或双面刻槽，总刻槽深度为背板厚度的0.4～0.8倍，刻槽宽度为0.5～1.0mm。所述背板切割的切割缝13是采用激光切割技术将切割缝宽度控制在0.2mm～0.5mm范围，在陶瓷单元各边拼接间隙对应位置对背板制作一定形式切割缝弱连接结构。
进一步的，所述陶瓷面板表面还粘贴包裹一层玻纤布或PE布8。
进一步的，所述陶瓷面板四周设有和陶瓷面板大小匹配的金属框7，金属框7上设有螺栓孔11，采用金属框7和螺栓(包括螺杆9和螺母10)将陶瓷面板4、背板2、缓冲垫6和底板1固定连接为一体。
进一步的，所述陶瓷单元的形状为正方形、长方形、正六边形，或者含有一半的正方形、另一半为长方形或正六边形的组合图形。
进一步的，所述背板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种所述陶瓷块的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的一种或几种。
进一步的，所述底板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种。所述的底板也可直接利用基础装甲(被防护结构)的防弹能力，或者与基础装甲共同组成间隙复合装甲的底板。
进一步的，所述粘结剂采用环氧类树脂、聚酰胺或氨基树脂，厚度为0.5mm～1.0mm。
本发明还提供了上述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板的制备方法，包括以下步骤：
1)对背板进行弱连接背板加工制作；
2)对各层材料接触面进行清理和金属板打磨；
3)粘结陶瓷面板和背板：首先在背板上均匀涂抹粘结剂，并覆盖一层玻纤布，然后在对应背板弱连接边界粘结陶瓷面板；
4)陶瓷面板和背板粘贴包裹1～2层玻纤布或PE布；
5)所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，采用金属框和螺栓将陶瓷面板、背板、缓冲垫和底板固定连接为一体。
进一步的，步骤1)对背板进行弱连接背板加工制作具体为：根据陶瓷单元的尺寸对背板进行刻槽或切割处理完成预定尺寸的制作。
以下结合具体实施例对本发明进行解释说明。
实施例1：
本实施例的包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，陶瓷面板为110mm×110mm×14.0mmAl2O3陶瓷面板；背板为5.0mm厚2A12铝合金，采用图3(a)的切割方式；底板采用LC52CS装甲铝，尺寸为500mm×500mm×15.0mm；背板与底板之间的间隙为30.0mm。陶瓷面板单元按4×4矩阵分布形式，用浸泡粘结剂的玻璃纤维布包裹后依次与铝合金背板粘结。粘结剂采用环氧类树脂胶，其厚度为0.5mm～1.0mm。拼装后的陶瓷面板和铝合金背板粘结后用浸泡环氧树脂胶的超高分子量乙烯纤维布进行包裹。实验前，陶瓷间隙复合装甲板的实测面密度为105.10kg/m2。
抗54式12.7mm穿燃弹垂直入射，射距100m，距枪口25m处弹速平均值v25。本实施例中面板弹着点和底板弹着点的示意图如图5所示，试验结果如表1所示：
表1实施例1试验结果汇总
Figure BDA0003304647570000061
共进行了4个不同位置的射击试验，均为有效着弹。铝合金背板的损伤情况：第1枪、第2枪、第3枪和第4枪均为局部大变形、穿孔、角点撕裂。装甲铝底板的损伤情况：第1枪、第2枪和第3枪均为装甲铝底板正面有任意形状弹坑，圆形弹坑，无裂纹；第4枪，装甲铝底板正面椭圆形弹孔，背面凸起有裂纹，煤油测无渗漏；即第1枪、第2枪、第3枪和第4枪射击后，装甲铝底板均为合格损伤；还可进行更多发的打击。
实施例2：
本实施例的包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板陶瓷面板为110mm×110mm×15.0mmAl2O3陶瓷面板；背板为4.0mm厚2A12铝合金，采用图3(a)的切割方式；底板采用LC52CS装甲铝，尺寸为500mm×500mm×15.0mm；背板与底板之间的间隙为30.0mm。陶瓷面板单元按3×3矩阵分布形式，用浸泡粘结剂的玻璃纤维布包裹后依次与铝合金背板粘结。粘结剂采用环氧类树脂胶，其厚度为0.5mm～1.0mm。拼装后的陶瓷面板和铝合金背板粘结后用浸泡环氧树脂胶的超高分子量乙烯纤维布进行包裹。实验前，陶瓷间隙复合装甲板的实测面密度为104.15kg/m2。
抗54式12.7mm穿燃弹垂直入射，射距100m，距枪口25m处弹速平均值v25。本实施例中面板弹着点和底板弹着点的示意图如图6所示，试验结果如表2所示：
表2实施例2试验结果汇总
Figure BDA0003304647570000071
共进行了3个不同位置的射击试验，均为有效着弹；第1枪、第2枪和第3枪的损伤情况：铝合金背板均为局部大变形、穿孔、角点撕裂；装甲铝底板正面有任意形状弹坑，圆形弹坑，背面凸起。即第1枪、第2枪和第3枪射击后，装甲铝底板均为合格损伤；还可进行更多发的打击。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述复合装甲板包括依次连接的底板、背板、玻纤布和陶瓷面板，所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，所述背板和玻纤布之间、玻纤布和陶瓷面板之间均通过粘结剂连接，所述陶瓷面板由多块陶瓷单元阵列分布拼接而成，所述背板在对应的陶瓷单元拼接的位置刻有凹槽或切割有缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述背板上刻槽截面形状为矩形或V字形，单面或双面刻槽，刻槽深度为背板厚度的0.4～0.8倍，刻槽宽度为0.5～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述背板切割的缝隙是采用激光切割技术将切割缝宽度控制在0.2mm～0.5mm范围，在陶瓷单元各边拼接间隙对应位置对背板制成切割缝，从而形成弱连接结构。
4.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述陶瓷面板表面还粘贴包裹一层玻纤布或PE布。
5.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述陶瓷面板四周设有和陶瓷面板大小匹配的金属框，采用金属框和螺栓将陶瓷面板、背板、缓冲垫和底板固定连接为一体。
6.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述背板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种；所述陶瓷块的材质为A12O3、SiC、SiN、B4C和TiB2中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述底板的材质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、镁合金板、钛合金板和钢板中的一种或几种；所述陶瓷单元的形状为正方形、长方形、正六边形，或者含有一半的正方形、另一半为长方形或正六边形的组合图形。
8.根据权利要求1所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板，其特征在于，所述粘结剂采用环氧类树脂、聚酰胺或氨基树脂，厚度为0.5mm～1.0mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对背板进行弱连接背板加工制作；
2)对各层材料接触面进行清理和金属板打磨；
3)粘结陶瓷面板和背板：首先在背板上均匀涂抹粘结剂，并覆盖一层玻纤布，然后在对应背板弱连接边界粘结陶瓷面板；
4)陶瓷面板和背板粘贴包裹1～2层玻纤布或PE布；
5)所述底板和背板的两端设有缓冲垫使得底板和背板之间设有间隙，采用金属框和螺栓将陶瓷面板、背板、缓冲垫和底板固定连接为一体。
10.根据权利要求9所述的一种包含弱连接背板的陶瓷间隙复合装甲板的制备方法，其特征在于，步骤1)对背板进行弱连接背板加工制作具体为：根据陶瓷单元的尺寸对背板进行刻槽或切割处理完成预定尺寸的制作。
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