CN114812276A - 一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法，本发明涉及一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法。本发明是要解决传统陶瓷‑背板装甲、传统阵列陶瓷结构装甲抗多发弹性能弱、材料利用率低等问题。它由六边形阵列陶瓷结构、高约束力约束层和吸能支撑层组成；所述六边形阵列陶瓷结构由若干个六边形陶瓷柱体按照六边形阵列而成，相邻六边形陶瓷柱体等距间隔；引入六边形阵列陶瓷结构作为表层磨蚀弹体，通过压力浸渗方式使金属与陶瓷间润湿形成高约束界面，吸能支撑层为高分子纤维层与钢背板组合而成。本发明能够在提升装甲抗弹、抗多发弹性能的同时，降低了装甲成本。

Description

一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法。
背景技术
防弹装甲能够有效地提升人员在战场上的生存率，随着现代武器的不断进步发展，对于装甲的防护要求也越来越高，传统的陶瓷-背板结构由于材料本身性质的制约，发展已经到达瓶颈，无法有效地进行二次防弹。且目前在研的阵列陶瓷装甲由于结构设计不合理，约束材料与陶瓷间结合强度底，由于技术的限制使得约束材料强度偏低，大大限制了装甲的防护性能。
目前在研的阵列陶瓷装甲普遍使用聚合物进行填充例如环氧树脂、地聚合粘接剂、高粘度胶等。聚合物的填充在一定程度上能够提升阵列陶瓷装甲的抗多发弹性能，但由于聚合物本身强度不足，即便是高粘度胶与阵列陶瓷间的粘接强度也小于100Mpa。并且目前在研的阵列陶瓷装甲并没有考虑约束材料与陶瓷单元间阻抗失配对于抗多发弹性能的影响。
发明内容
本发明是要解决传统陶瓷-背板装甲、传统阵列陶瓷结构装甲抗多发弹性能弱、材料利用率低等问题。而提供一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲及其制备方法。
一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲由六边形阵列陶瓷结构、高约束力约束层和吸能支撑层组成；所述六边形阵列陶瓷结构由若干个六边形陶瓷柱体按照六边形阵列而成，相邻六边形陶瓷柱体等距间隔；所述吸能支撑层由高分子纤维层和钢背板组成；所述六边形阵列陶瓷结构通过压力浸渗到高约束力约束层中，所述六边形阵列陶瓷结构和高约束力约束层的外端面持平共同作为迎弹面；所述高约束力约束层与高分子纤维层、高分子纤维层与钢背板的接触面均通过胶黏连接。
上述一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法具体按以下步骤进行：
一、按照实际需要设计六边形阵列陶瓷结构，采用3D打印技术制备陶瓷阵列模具；
二、根据设计的六边形阵列陶瓷结构，控制六边形陶瓷柱体间距，将陶瓷阵列模具摆放在钢模具中；
三、将陶瓷材料均匀摆放在陶瓷阵列模具中；
四、向阵列陶瓷结构的间隙中填入B4C粉体后振实并放入压力机压实得到材料预制体；
五、将铝合金温度加热到800～900℃熔炼4h以上，得到铝合金溶液；
六、采用压力浸渗技术将铝合金溶液灌入材料预制体中并加压，压力为100～300MPa，当铝合金溶液从底部石墨气孔排出，保压10min后热脱，得到阵列陶瓷结构与高约束力约束层；
七、将高约束力约束层与高分子纤维层、高分子纤维层与钢背板的接触面通过胶黏连接，即完成抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备。
本发明的有益效果：
本发明采用仿生手段，模仿犰狳甲片整体结构，引入六边形阵列陶瓷单元、陶瓷/金属约束材料以及高分子纤维+钢背板作为支撑材料设计了一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲。解决了传统陶瓷-背板装甲结构及传统阵列陶瓷单元装甲结构存在的问题。提升了装甲的抗弹及抗多发弹性能，降低了靶板整体面密度及靶板成本。
附图说明
图1为抗多发弹的高约束仿生结构装甲的俯视图；
图2为抗多发弹的高约束仿生结构装甲的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲由六边形阵列陶瓷结构1、高约束力约束层2和吸能支撑层组成；所述六边形阵列陶瓷结构1由若干个六边形陶瓷柱体按照六边形阵列而成，相邻六边形陶瓷柱体等距间隔；所述吸能支撑层由高分子纤维层3和钢背板4组成；所述六边形阵列陶瓷结构1通过压力浸渗到高约束力约束层2中，所述六边形阵列陶瓷结构1和高约束力约束层2的外端面持平共同作为迎弹面；所述高约束力约束层2与高分子纤维层3、高分子纤维层3与钢背板4的接触面均通过胶黏连接。
本实施方式通过仿生手段，模仿犰狳的甲片整体结构，设计了带有固定间距的六边形陶瓷阵列装甲。通过压力浸渗技术成功模仿除了犰狳甲片与缓冲结构组织间的紧密结合。同时仿生设计应在设计仿生结构的基础上根据使用环境进行细致的参数设计，由于枪支射出的12.7mm穿甲燃烧弹具有极大的动能及硬度，因此强度较低的有机物填并不能很好的限制陶瓷位置并耗散动能，且当陶瓷间距过小时，约束材料不能起到很好的衰减应力波的作用。当陶瓷间距过大时，由于B4C/Al复合材料硬度低于陶瓷材料也无法起到磨蚀弹丸的作用，会大大降低装甲的抗弹性能，因此通过仿生方法模仿犰狳甲片及甲片连接组织的方式制备仿生陶瓷阵列装甲尤为重要。
通过模仿犰狳甲片连接软组织，向六边形陶瓷间填充B4C/Al复合材料，由于陶瓷与B4C/Al复合材料间存在宏观界面，且复合材料中还存在着陶瓷颗粒与铝基体间的微观界面，在陶瓷与B4C/Al复合材料间、陶瓷颗粒与铝基体间的界面能够有效的耗散子弹带来的入射波，有效地减小着弹点位置陶瓷附近陶瓷的损伤。且陶瓷与B4C/Al复合材料密度相近，因此在界面不会产生较大的阻抗失配，能够有效地减小反射波大小与靶板震动幅度，提高靶板整体的抗多发弹性能；由于陶瓷阵列靶板中存在陶瓷阵列与约束材料间的界面，因此必然会产生反射波与靶板震动，传统添加有机物的陶瓷阵列装甲由于有机物与陶瓷间界面结合强度较低，在反射波和靶板震动的作用下很容易形成界面脱粘，导致附近陶瓷单元失去约束，使整体靶板失效。而仿生陶瓷阵列装甲通过压力浸渗方式减小陶瓷与铝基体间的润湿角，使陶瓷单元与铝基体间形成了极强的界面结合，能够有效地抵御反射应力波与靶板震动带来的影响，提高了装甲的抗多发弹性能；且通过在阵列陶瓷与约束材料层的后层粘接高分子纤维层及钢背板支撑层，能够进一步的减小靶板震动提升靶板抗多发弹能力。
本实施方式用于直升机、轻型坦克、舰船。
本实施方式中六边形阵列陶瓷结构与高约束力约束层之间具有极高的界面结合强度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述六边形陶瓷柱体的材质为B4C陶瓷、SiC陶瓷或Al2O3陶瓷；六边形陶瓷柱体顶端为平面、圆弧或西瓜帽。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述六边形陶瓷柱体的高度为8～20mm，六边形陶瓷柱体的内切圆直径为13～30mm，相邻六边形陶瓷柱体的间距为0.5～6mm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述高约束力约束层2为陶瓷-金属复合材料；所述高约束力约束层2为梯度结构，硬度由背弹面向迎弹面依次降低，梯度层数≥1。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述高约束力约束层2的材质为高体积分数的B4C/Al复合材料，体积分数为50％～80％，B4C粉体采用级配方式获得。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述高分子纤维层3为M层纤维织物同构胶接方式连接而成，其中M≥2，高分子纤维层3的材质为碳纤维、kelvar或UHMWPE。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述钢背板4为603装甲钢，厚度≤5mm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述六边形阵列陶瓷结构1与高约束力约束层2之间的界面结合强度由纵向拉应力与横向切应力表示，纵向拉应力大小为228MPa～324MPa，横向切应力为136MPa～166MPa。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法具体按以下步骤进行：
一、按照实际需要设计六边形阵列陶瓷结构，采用3D打印技术制备陶瓷阵列模具；
二、根据设计的六边形阵列陶瓷结构，控制六边形陶瓷柱体间距，将陶瓷阵列模具摆放在钢模具中；
三、将陶瓷材料均匀摆放在陶瓷阵列模具中；
四、向阵列陶瓷结构的间隙中填入B4C粉体后振实并放入压力机压实得到材料预制体；
五、将铝合金温度加热到800～900℃熔炼4h以上，得到铝合金溶液；
六、采用压力浸渗技术将铝合金溶液灌入材料预制体中并加压，压力为100～300MPa，当铝合金溶液从底部石墨气孔排出，保压10min后热脱，得到阵列陶瓷结构与高约束力约束层；
七、将高约束力约束层与高分子纤维层、高分子纤维层与钢背板的接触面通过胶黏连接，即完成抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤五中所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。其它与具体实施方式九相同。
通过以下试验验证本发明的效果：
实施例一：一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法具体按以下步骤进行：
一、按照实际需要设计六边形阵列陶瓷结构，采用3D打印技术制备陶瓷阵列模具；
二、根据设计的六边形阵列陶瓷结构，控制六边形陶瓷柱体间距，将陶瓷阵列模具摆放在钢模具中；
三、将陶瓷材料均匀摆放在陶瓷阵列模具中；
四、向阵列陶瓷结构的间隙中填入B4C粉体后振实并放入压力机压实得到材料预制体；
五、将铝合金温度加热到800～900℃熔炼4h以上，得到铝合金溶液；
六、采用压力浸渗技术将铝合金溶液灌入材料预制体中并加压，压力为100～300MPa，当铝合金溶液从底部石墨气孔排出，保压10min后热脱，得到阵列陶瓷结构与高约束力约束层；
七、将高约束力约束层与高分子纤维层、高分子纤维层与钢背板的接触面通过胶黏连接，即完成抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备。
实施例一得到的抗12.7mm穿甲弹的抗多发弹、高约束仿生结构装甲整体厚度25mm，整体面密度85kg/m2。抗12.7mm穿甲弹的测试结果表明，弹速800-850m/s的12.7mm穿甲弹10m距离，0°角入射的条件下无法贯穿梯度铝基复合材料。

Claims (10)

1.一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于抗多发弹的高约束仿生结构装甲由六边形阵列陶瓷结构(1)、高约束力约束层(2)和吸能支撑层组成；所述六边形阵列陶瓷结构(1)由若干个六边形陶瓷柱体按照六边形阵列而成，相邻六边形陶瓷柱体等距间隔；所述吸能支撑层由高分子纤维层(3)和钢背板(4)组成；所述六边形阵列陶瓷结构(1)通过压力浸渗到高约束力约束层(2)中，所述六边形阵列陶瓷结构(1)和高约束力约束层(2)的外端面持平共同作为迎弹面；所述高约束力约束层(2)与高分子纤维层(3)、高分子纤维层(3)与钢背板(4)的接触面均通过胶黏连接。
2.根据权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述六边形陶瓷柱体的材质为B4C陶瓷、SiC陶瓷或Al2O3陶瓷；六边形陶瓷柱体顶端为平面、圆弧或西瓜帽。
3.根据权利要求2所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述六边形陶瓷柱体的高度为8～20mm，六边形陶瓷柱体的内切圆直径为13～30mm，相邻六边形陶瓷柱体的间距为0.5～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述高约束力约束层(2)为陶瓷-金属复合材料；所述高约束力约束层(2)为梯度结构，硬度由背弹面向迎弹面依次降低，梯度层数≥1。
5.根据权利要求4所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述高约束力约束层(2)的材质为高体积分数的B4C/Al复合材料，体积分数为50％～80％，B4C粉体采用级配方式获得。
6.根据权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述高分子纤维层(3)为M层纤维织物同构胶接方式连接而成，其中M≥2，高分子纤维层(3)的材质为碳纤维、kelvar或UHMWPE。
7.根据权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述钢背板(4)为603装甲钢，厚度≤5mm。
8.根据权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲，其特征在于所述六边形阵列陶瓷结构(1)与高约束力约束层(2)之间的界面结合强度由纵向拉应力与横向切应力表示，纵向拉应力大小为228MPa～324MPa，横向切应力为136MPa～166MPa。
9.如权利要求1所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法，其特征在于抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法具体按以下步骤进行：
一、按照实际需要设计六边形阵列陶瓷结构，采用3D打印技术制备陶瓷阵列模具；
二、根据设计的六边形阵列陶瓷结构，控制六边形陶瓷柱体间距，将陶瓷阵列模具摆放在钢模具中；
三、将陶瓷材料均匀摆放在陶瓷阵列模具中；
四、向阵列陶瓷结构的间隙中填入B4C粉体后振实并放入压力机压实得到材料预制体；
五、将铝合金温度加热到800～900℃熔炼4h以上，得到铝合金溶液；
六、采用压力浸渗技术将铝合金溶液灌入材料预制体中并加压，压力为100～300MPa，当铝合金溶液从底部石墨气孔排出，保压10min后热脱，得到阵列陶瓷结构与高约束力约束层；
七、将高约束力约束层与高分子纤维层、高分子纤维层与钢背板的接触面通过胶黏连接，即完成抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备。
10.根据权利要求9所述的一种抗多发弹的高约束仿生结构装甲的制备方法，其特征在于步骤五中所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。
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