CN114894038A - 一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法，涉及穿戴防护装备技术领域；该复合装甲包括多胞软体层和复合面板层，所述多胞软体层包括多胞软体层基体和嵌入多胞软体层基体内侧硬质薄片，该方法包括嵌入硬质薄片与多胞软体层基体的多胞软体层制备，含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备，将多胞软体层和复合面板层进行固定。本发明装甲的多层级结构设计，使得装甲具备抗冲击穿刺、冲击吸能比高的特点，使得在受到冲击过程中有效阻隔应力，降低损伤，软体层中填充较轻质的硬质胞元结构，以此来进一步分散冲击载荷，消耗冲击能量以及减小侵入量，从而能有效削弱冲击载荷对人体产生的后效损伤。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴防护装备技术领域，尤其涉及一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法。
背景技术
随着武器装备的发展，对单兵防护装备的防护也提出了新的要求。传统整体的防护结构能满足防弹，防爆，碎片防护等需求，但是以整体板块的装甲设计对于穿戴式装备而言其具有以下缺点：整体刚性较大，会降低穿戴者的身体灵活性；局部的弹击破坏会产生较大范围的影响，遭遇一次弹击后会严重降低不同位置点后续抗冲击性能。拼接式面板装甲在柔适性和抵抗多点多位置的打击能力有所提升，但是不足之处是拼接的缝隙处是属于比较薄弱的位置点，遭遇弹击后的后效损伤也相对较大。
为此，本发明提出一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法；旨在解决现有穿戴式防护装备柔性与防护性互斥的弊端和拼接式装甲拼接缝隙位置的弱点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲，包括多胞软体层和复合面板层，所述多胞软体层包括多胞软体层基体和嵌入多胞软体层基体内侧硬质薄片，所述复合面板层包括主约束块、次约束块、辅约束块及超高分子量聚乙烯层合板，所述主约束块、次约束块、辅约束块均通过结构胶粘接固定于超高分子量聚乙烯层合板。
优选地：所述主约束块、次约束块、辅约束块按照空间交替的设计特征排列。
优选地：所述多胞软体层基体为双组份加成型硅橡胶，其为A、B两个组分可流动性的液胶1：1混合搅拌，分两次在设计的模具上注胶完全成型。
一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
S1：嵌入硬质薄片与多胞软体层基体的多胞软体层制备；
S2：含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备；
S3：将多胞软体层和复合面板层进行固定，制备具有空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲。
优选地：所述S1中，多胞软体层的制备包括以下步骤：
S11：空腔的多胞软体层基体底层的制备；
S12：嵌入硬质薄片；在上一步获得空腔的多胞软体层基体底层之后，在相应的空腔胞元位置处放置硬质薄片；
S13：在此注胶，使其形成覆盖层；
S14：冷却固化、脱模。
优选地：所述S11与S13的步骤相似，均包括以下步骤：
S111：取制适量A、B两个组分可流动性液胶按一定比例混合搅拌均匀后放入真空容器中；
S112：在一定条件下进行脱泡；
S113：然后倒入成型模具中待固化。
优选地：所述S111中，A、B组分的混合比例为1：1。
优选地：所述S112中，脱泡步骤为：在0.08MPa～0.12MPa下脱泡3～5min。
优选地：所述S2中，含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备包括以下步骤：
S21：取主约束块通过结构胶分别与超高分子量聚乙烯层合板上表面粘接固定，制成主约束胞元；
S22：取次约束块通过结构胶分别与超高分子量聚乙烯层合板上表面两侧粘接固定，制成次约束胞元；
S23：取辅约束块通过结构胶分别与超高分子量聚乙烯层合板上表面单侧粘接固定，制成辅约束胞元；
S24：将S21-S23中完成的胞元按照设计顺序排列，形成含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层。
优选地：所述S3中，将多胞软体层和复合面板层进行固定，具体包括以下步骤：
S31：将含空间交替互锁结构的复合面板层按设计次序通过结构胶分别粘接于嵌入硬质薄片的多胞软体层基体上；
S32：待粘接固化之后，脱模后即可。
本发明的有益效果为：
1.本发明，装甲的多层级结构设计，使得装甲具备抗冲击穿刺、冲击吸能比高的特点，使得在受到冲击过程中有效阻隔应力，降低损伤，软体层中填充较轻质的硬质胞元结构，以此来进一步分散冲击载荷，消耗冲击能量以及减小侵入量，从而能有效削弱冲击载荷对人体产生的后效损伤。
2.本发明，面板以多胞元结构进行设计，可以避免单胞损伤的传递，使得单胞元受到强冲击载荷的破坏不会对相邻胞元产生破坏，达到局部可有效抵抗穿透，保证装甲的不同胞元位置不受相邻胞元损伤的影响，即在相邻胞元遭遇冲击破坏后，其依然具有有效的抗冲击性能，又能确保结构具有一定的柔性。
3.通过主约束块、次约束块和辅约束块构成面板层的空间交替互锁结构的设计，使得多层级柔性仿生填充装甲的面层在受到冲击载荷发生变形的过程中，面层各胞元产生互锁作用，同时通过外延互联的结构，能够一定程度上弥补原非空间交替互锁结构中胞元间缝隙防护能力薄弱的问题，又能确保层结构的柔性。
附图说明
图1为本发明的整体主视结构示意图；
图2为本发明的制备流程结构示意图；
图3为本发明的俯视结构示意图；
图4为本发明的侧视结构示意图；
图5为本发明的多胞软体层主视结构示意图；
图6为本发明的多胞软体层的侧视结构示意图；
图7为本发明的多胞软体层的俯视结构示意图；
图8为本发明的多胞软体层A向剖视结构示意图；
图9为本发明的多胞软体层B向剖视结构示意图；
图10为本发明的硬质薄片嵌入区域结构示意图；
图11为本发明的复合面板层结构示意图；
图12为本发明的主约束块结构示意图；
图13为本发明的次约束块结构示意图；
图14为本发明的辅约束块结构示意图。
图中：1、多胞软体层基体；2、超高分子量聚乙烯层合板；3、结构胶；4、硬质薄片；5、主约束块；；6、次约束块；7、辅约束块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
实施例1：
一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲，其包括多胞软体层和复合面板层，所述多胞软体层包括多胞软体层基体(1)和嵌入多胞软体层基体(1)内侧硬质薄片(4)，所述复合面板层包括主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)及超高分子量聚乙烯层合板(2)，所述主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)均通过结构胶(3)粘接固定于超高分子量聚乙烯层合板(2)。
所述主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)按照空间交替的设计特征排列。
所述多胞软体层基体(1)为双组份加成型硅橡胶，其为A、B两个组分可流动性的液胶1：1混合搅拌，分两次在设计的模具上注胶完全成型。
实施例2：
一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，包括以下步骤：
S1：嵌入硬质薄片4与多胞软体层基体1的多胞软体层制备；
S2：含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备；
S3：将多胞软体层和复合面板层进行固定，制备具有空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲。
所述S1中，多胞软体层的制备包括以下步骤：
S11：空腔的多胞软体层基体(1)底层的制备，本实施例中，对该层尺寸不做限定，可以根据实际情况设计，优选的：该层的尺寸为200×200×1mm；取制适量A、B两个组分可流动性液胶按1：1比例混合搅拌均匀后放入真空容器中，在0.08MPa～0.12MPa下脱泡3～5min，然后倒入成型模具中待固化后得到空腔的多胞软体层基体(1)底层，常温下固化时间约需4个小时以上；
S12：嵌入硬质薄片(4)；在上一步获得空腔的多胞软体层基体(1)底层之后，在相应的空腔胞元位置处放置硬质薄片(4)，本实施例中，对硬质薄片(4)的尺寸、防止位置及形式不做限定，优选的：所述硬质薄片(4)的尺寸为50mm×50mm×0.5mm，胞元之间相邻间距为10mm，最终形成3×3的点阵排布；
S13：再次取适量A、B两个组分可流动性液胶按照S11中配比并搅拌均匀，随后抽真空脱泡，然后继续倒入成型模具中，使其形成覆盖层，本实施例中，对覆盖层的厚度不做限定，优选的：所述覆盖层厚度为1.5mm，覆盖层与S11中形成的底层完全粘接，形成整体，并且对第二步中铺设的硬质薄片(4)形成完全封装；
S14：冷却固化、脱模，二次注胶完成后需在常温下留出较长固化时间以确保二次注胶后底层与覆盖层连接界面的粘接强度，该过程需耗时约8小时，此时硬质薄片(4)按照一体化工艺完全被嵌入多胞软体层基体(1)中。
软体层基体(1)中填充较轻质的硬质胞元结构，以此来进一步分散冲击载荷，消耗冲击能量以及减小侵入量；同时，被嵌入的硬质薄片(4)可以在冲击过程中有效阻隔应力，从而能有效削弱冲击载荷对人体产生的后效损伤。
所述S2中，含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备包括以下步骤：
S21：取主约束块(5)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面粘接固定，制成主约束胞元；本实施例中，对该步骤中形成的主约束胞元的数量不做限定，优选的：该步骤中为两个主约束胞元，其由两个主约束块(5)通过结构胶(3)分别与两个超高分子量聚乙烯层合板(2)形成；
S22：取次约束块(6)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面两侧粘接固定，制成次约束胞元；本实施例中，对该步骤中形成的次约束胞元的数量不做限定，优选的：该步骤中为三个次约束胞元，其由三个次约束块(6)通过结构胶(3)分别与三个超高分子量聚乙烯层合板(2)形成；
S23：取辅约束块(7)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面单侧粘接固定，制成辅约束胞元；本实施例中，对该步骤中形成的辅约束胞元的数量不做限定，优选的：该步骤中为四个辅约束胞元，其由四个辅约束块(7)通过结构胶(3)分别与四个超高分子量聚乙烯层合板(2)形成；
S24：将S21-S23中完成的胞元按照设计顺序排列，形成含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层。
通过空间交替互锁结构的设计，使得多层级柔性仿生填充装甲的面层在受到冲击载荷发生变形的过程中，面层各胞元产生互锁作用，协同抵抗冲击；同时通过外延互联的结构，能够一定程度上弥补原非空间交替互锁结构中胞元间缝隙防护能力薄弱的问题，又能确保层结构的柔性。
所述S3中，将多胞软体层和复合面板层进行固定，具体包括以下步骤：
S31：将含空间交替互锁结构的复合面板层按设计次序通过结构胶(3)分别粘接于嵌入硬质薄片(4)的多胞软体层基体(1)上；
S32：待粘接固化之后，脱模后即可。
以多胞元结构与空间交替互锁结构组合设计，既可以增强单个胞元的抵抗冲击的能力，使局部可有效抵抗穿透，又可以避免单胞损伤的传递，保证装甲的不同胞元位置不受相邻胞元损伤的影响，即在相邻胞元遭遇冲击破坏后，其依然具有有效的抗冲击性能，且保持装甲的柔性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲，其特征在于，包括多胞软体层和复合面板层，所述多胞软体层包括多胞软体层基体(1)和嵌入多胞软体层基体(1)内侧硬质薄片(4)，所述复合面板层包括主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)及超高分子量聚乙烯层合板(2)，所述主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)均通过结构胶(3)粘接固定于超高分子量聚乙烯层合板(2)。
2.根据权利要求1所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲，其特征在于，所述主约束块(5)、次约束块(6)、辅约束块(7)按照空间交替的设计特征排列。
3.根据权利要求1所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲，其特征在于，所述多胞软体层基体(1)为双组份加成型硅橡胶，其为A、B两个组分可流动性的液胶1：1混合搅拌，分两次在设计的模具上注胶完全成型。
4.一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其为权利要求1-3任一所述的空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：嵌入硬质薄片(4)与多胞软体层基体(1)的多胞软体层制备；
S2：含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备；
S3：将多胞软体层和复合面板层进行固定，制备具有空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲。
5.根据权利要求4所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S1中，多胞软体层的制备包括以下步骤：
S11：空腔的多胞软体层基体(1)底层的制备；
S12：嵌入硬质薄片(4)；在上一步获得空腔的多胞软体层基体(1)底层之后，在相应的空腔胞元位置处放置硬质薄片(4)；
S13：在此注胶，使其形成覆盖层；
S14：冷却固化、脱模。
6.根据权利要求5所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S11与S13的步骤相似，均包括以下步骤：
S111：取制适量A、B两个组分可流动性液胶按一定比例混合搅拌均匀后放入真空容器中；
S112：在一定条件下进行脱泡；
S113：然后倒入成型模具中待固化。
7.根据权利要求6所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S111中，A、B组分的混合比例为1：1。
8.根据权利要求6所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S112中，脱泡步骤为：在0.08MPa～0.12MPa下脱泡3～5min。
9.根据权利要求4所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S2中，含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层的制备包括以下步骤：
S21：取主约束块(5)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面粘接固定，制成主约束胞元；
S22：取次约束块(6)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面两侧粘接固定，制成次约束胞元；
S23：取辅约束块(7)通过结构胶(3)分别与超高分子量聚乙烯层合板(2)上表面单侧粘接固定，制成辅约束胞元；
S24：将S21-S23中完成的胞元按照设计顺序排列，形成含空间交替拓扑互锁结构的复合面板层。
10.根据权利要求4所述的一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲的制备方法，其特征在于，所述S3中，将多胞软体层和复合面板层进行固定，具体包括以下步骤：
S31：将含空间交替互锁结构的复合面板层按设计次序通过结构胶(3)分别粘接于嵌入硬质薄片(4)的多胞软体层基体(1)上；
S32：待粘接固化之后，脱模后即可。
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