CN115823952A - 一种轻质防弹复合装甲板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻质防弹复合装甲板，包括依次叠加设置的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，所述抗冲击层为金刚石改性B4C陶瓷层，所述支撑层为碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层，所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层；且所述碳纤维复合材料层近所述抗冲击层端。本申请还提供了轻质防弹复合装甲板的制备方法。本申请提供的复合装甲板通过引入聚碳酸酯层作为支撑层，并与其他层复合，各层之间相互配合，在保证防护力的情况下，有效降低了装甲板的面密度。
Description
技术领域
本发明涉及防弹装甲设计制造技术领域，尤其涉及一种轻质防弹复合装甲板及其制备方法。
背景技术
军用直升机的防弹装甲配置与其飞行性能是天生矛盾体，装甲过重将影响其飞行性能，而装甲缺失将导致飞机战场生存力差，损毁概率增加。在当前国内发动机性能的限制下，为了解决该矛盾，就必须达到最合理的防弹装甲系统配置，从趋势上必须按轻量化、非金属化、复合化、模块化发展，从根本上必须解决“轻”与“强”的问题，采用轻质高强防护材料来降低军用直升机弹击核心防护区域防弹装甲所占用的功率载荷比例，将是唯一可行的发展方向。
目前国内型号上普遍采用B4C陶瓷及芳纶纤维制备装甲板作为直升机驾驶员座椅防护设计，具有防12.7mm穿甲燃烧弹的能力，面密度为45kg/m2左右，可抵御1次打击。为了实现复合装甲板进一步减重增强，现有成熟装甲材料已不能满足型号设计需求，需采用更轻、更强、更韧的材料应用于直升机防弹系统以提高其抗弹击能力，同时通过结构设计优化复合装甲结构，满足军用直升机驾驶员、承担主要作战任务使命乘员的高生存力要求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种复合装甲板，本申请提供的复合装甲板能够在较低的面密度下，实现更强的防弹能力，即同时兼具了质轻和防弹。
有鉴于此，本申请提供了一种轻质防弹复合装甲板，包括依次叠加设置的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，所述抗冲击层为金刚石改性B4C陶瓷层，所述支撑层为碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层，所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层；且所述碳纤维复合材料层近所述抗冲击层端。
优选的，所述金刚石改性B4C陶瓷层由金刚石和B4C制备得到，所述金刚石的含量为10～40wt％，所述B4C的含量为60～90wt％。
优选的，所述金刚石的粒径为50～200μm。
优选的，所述碳纤维复合材料层由高模量碳纤维和热固性环氧树脂制备得到，所述高模量碳纤维的含量为60～70wt％，所述热固性环氧树脂的含量为30～40wt％。
优选的，所述高模量碳纤维选自T300碳纤维、T700碳纤维和T800碳纤维中的一种或多种，所述热固性环氧树脂的拉伸强度大于80MPa，弯曲强度140MPa，断裂拉伸率大于2.8％。
优选的，所述聚碳酸酯层的聚碳酸酯为双酚A-聚碳酸酯，所述双酚A-聚碳酸酯的重均分子量为80000～100000。
优选的，所述聚乙烯复合材料层由聚乙烯纤维和热塑性树脂制备得到，所述聚乙烯纤维的含量为60～80wt％，所述热塑性树脂的含量为20～40wt％。
优选的，所述聚乙烯复合材料层中的聚乙烯的重均分子量大于1000000，所述热塑性树脂选自环氧树脂，所述热塑性树脂的拉伸强度大于50MPa，撕裂强度＞140kN/m，断裂伸长率＞2.5％。
有序哪的，所述金刚石改性B4C陶瓷层的厚度为5～10mm，所述碳纤维复合材料层的厚度为3.0～5.0mm，所述聚碳酸酯层的厚度为2～5mm，所述聚乙烯复合材料层的厚度为3.0～8.0mm。
本申请还提供了一种轻质防弹复合装甲板的制备方法，包括以下步骤：
将抗冲击层、支撑层和变形吸能层按照顺序依次叠加放置，每层之间进行粘接，热压后得到轻质防弹复合装甲板。
本申请提供了一种轻质防弹复合装甲板，包括依次叠加设置的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，所述抗冲击层为金刚石改性B4C陶瓷层，所述支撑层为碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层，所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层；且所述碳纤维复合材料层近所述抗冲击层端。本申请在支撑层中引入了聚碳酸酯层，且通过各层材料的优化设计，形成依次层叠的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，各层之间相互配合，能够在面密度低于42kg/m2的条件下，实现12.7mmAPI弹防护，可防御速度大于488m/s。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本申请针对12.7mm穿甲燃烧弹的防护需求，采用聚碳酸酯与陶瓷、碳纤维复合材料、聚乙烯复合材料形成复合装甲板，其可在更低面密度下，实现对12.7mm穿甲燃烧弹的有效防护，且本申请采用大尺寸(300mm*300mm)整版陶瓷，解决了拼缝带来的防弹缺陷。具体的，本发明实施例提供了一种轻质防弹复合装甲板，包括依次叠加设置的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，所述抗冲击层为金刚石改性B4C陶瓷层，所述支撑层为碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层，所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层；且所述碳纤维复合材料层近所述抗冲击层端。
抗冲击层的作用为在弹丸侵彻过程中破碎吸收动能，依靠高硬度使弹丸发生变形，同时在弹丸侵彻过程中破碎磨蚀弹丸，使弹丸发生钝化。现有技术中通常采用B4C陶瓷作为抗冲击层，本发明选用金刚石改性B4C陶瓷层作为抗冲击层，其由金刚石改性B4C陶瓷制备得到；金刚石可提高陶瓷的硬度，在受弹丸打击时可进一步磨削弹丸，提高抗冲击层的抗弹强度。其中，金刚石的含量为10～40wt％，B4C的含量为60％～90％；示例的，所述金刚石的质量百分数可以独立地任选为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％，B4C的质量百分数可以独立地任选为60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％。在一些优选实施方式中，所述金刚石的粒径为50μm～150μm；所述金刚石粒径过低，金刚石形态欠佳，烧结过程中易石墨化，影响金刚石改性B4C陶瓷的强度；而金刚石的粒径过高，则成本升高。示例的，所述金刚石的粒径可以独立地任选为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm。所述金刚石改性B4C按照本领域技术人员熟知的方法制备，对此本申请没有特别的限制。
支撑层的作用为支撑抗冲击层充分破碎，吸收弹丸动能；其由依次叠加的碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层组成。所述碳纤维复合材料层由碳纤维复合材料制备得到，所述聚碳酸酯层由聚碳酸酯制备得到。所述碳纤维复合材料具有高的强度及模量，在阻燃的同时还可进一步支撑抗冲击层的充分破碎，增强装甲板的防护能力。碳纤维复合材料的主要成分为高模量碳纤维和热固性环氧树脂；其中，所述高模量碳纤维可以选自T300碳纤维、T700碳纤维和T800碳纤维中的一种或多种；优选地，高模量碳纤维的直径可以为5μm～7μm；所选热固性环氧树脂的拉伸强度大于80MPa，弯曲强度大于140MPa，断裂伸长率大于2.8％。所述碳纤维复合材料中，高模量碳纤维的含量为60wt％～70wt％，热固性环氧树脂的含量为30wt％～40wt％；示例的，所述高模量碳纤维的含量为60wt％、61wt％、62wt％、63wt％、64wt％、65wt％、66wt％、67wt％、68wt％、69wt％或70wt％，所述热固性环氧树脂的含量为30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％。进一步，碳纤维复合材料还可以包括抗氧剂、相容剂、耐候剂、稳定剂等助剂。所述碳纤维复合材料的制备按照本领域技术人员熟知的方法进行，对此本申请不进行特别的限制。
所述聚碳酸酯层由聚碳酸酯制备得到，所述聚碳酸酯具有高的强度及模量，同时密度低，抗冲击性能优异，能够有效支撑抗冲击层充分破碎，吸收弹丸动能，还不会过多增加装甲板的面密度。其中，所述聚碳酸酯的主要成分为聚碳酸酯树脂，聚碳酸酯树脂可选自芳香族聚碳酸酯、脂肪族聚碳酸酯、芳香族脂肪族聚碳酸酯、支化聚碳酸酯和硅氧烷共聚碳酸酯中的一种或多种，优选为芳香族聚碳酸酯，具有更高的强度和模量。进一步，芳香族聚碳酸酯优选双酚A-聚碳酸酯，其重均分子量为80000～10000。
变形吸能层的作用为吸收弹丸动能，最终捕获弹丸。所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层，其由聚乙烯复合材料制备得到。所述聚乙烯复合材料可产生较大形变，且密度低，能够充分吸收弹丸动能。所述聚乙烯复合材料的主要成分为聚乙烯纤维和热塑性树脂，所述聚乙烯纤维选自超高相对分子质量高模量聚乙烯纤维，其重均分子量大于1000000。所述热塑性树脂拉伸强度大于50MPa，撕裂强度大于140kN/m，断裂伸长率大于2.5％。所述聚乙烯复合材料中，聚乙烯纤维的含量为60wt％～80wt％，具体的，所述聚乙烯纤维的含量为60wt％、61wt％、62wt％、63wt％、64wt％、65wt％、66wt％、67wt％、68wt％、69wt％、70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、74wt％、75wt％、76wt％、77wt％、78wt％、79wt％或80wt％；热塑性树脂的质量百分数为20wt％～40wt％，具体的，所述热塑性树脂的含量为20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％、30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％。
在一些实施方式中，金刚石改性B4C陶瓷层的厚度为8mm～10mm，碳纤维复合材料层的厚度为3.0mm～5.0mm，聚碳酸酯层的厚度为3.0mm～4.0mm，聚乙烯复合材料层的厚度为4.0mm～6.0mm。
可以理解地，金刚石改性B4C陶瓷层的厚度可独立任选为8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm；碳纤维复合材料层的厚度可独立任选为3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm；聚碳酸酯层的厚度可独立任选为3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm；聚乙烯复合材料层的厚度可独立任选为4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm。
本发明还提供一种轻质防弹复合装甲板的制备方法，包括以下步骤：
提供如上所述的抗冲击层、支撑层和变形吸能层；
依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能的顺序叠放，每层之间使用热熔胶膜进行粘接；
通过热压复合形成一体式复合结构，得到轻质防弹复合装甲板。
在上述制备方法中，热熔胶膜的材料不限，例如可以为：EVA胶膜、PVB胶膜、PA胶膜、PES胶膜、PO胶膜、TPU胶膜。
热压复合的温度可以为100℃～120℃，压力可以为1MPa～3Mpa。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的轻质防弹复合装甲板及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规条件，例如文献、书本中所述的条件或者生产厂家推荐的方法实现。
以下实施例中采用的原料：
金刚石改性B4C陶瓷：金刚石的粒径为50μm～150μm；
碳纤维复合材料：碳纤维复合材料的主要成分为高模量碳纤维和热固性环氧树脂，其中，所述高模量碳纤维的质量百分数为60％～70％，热固性环氧树脂的质量百分数为30％～40％；
聚碳酸酯：聚碳酸酯的主要成分为双酚A-聚碳酸酯树脂。
超高分子量聚乙烯复合材料：超高分子量聚乙烯复合材料的主要成分为超高分子量聚乙烯纤维和热塑性树脂，其中，所述超高分子量聚乙烯纤维的质量百分数为60％～80％，所述热塑性树脂的质量百分数为20％～40％；
胶膜：采用热熔胶膜，材料不限，可以为：EVA胶膜、PVB胶膜、PA胶膜、PES胶膜、PO胶膜、TPU胶膜。
实施例1
1、按尺寸加工生产各材料层：
抗冲击层：原料为金刚石改性B4C陶瓷(其中金刚石含量为20wt％，碳化硼含量为80wt％，金刚石的粒径为50μm)，厚度为9.2mm；
支撑层：原料为碳纤维复合材料(其中碳纤维为T800，含量为70wt％；环氧树脂含量为30wt％)，厚度为4.0mm；双酚A-聚碳酸酯，厚度为3.5mm；
变形吸能层：原料为超高分子量聚乙烯复合材料(其中超高分子量聚乙烯纤维FT-132含量为70wt％，聚烯烃树脂含量为30wt％)，厚度4.5mm；
2、依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能层的顺序叠放，每层之间使用EVA胶膜进行粘接；
3、将步骤2固定好的各层材料放入热压罐进行复合，热压温度120℃，压力1Mpa，热压成型形成一体式复合结构的装甲板，随炉冷却，冷却至常温取出，得到复合装甲板。
根据MIL-PRF-46103E规定的Ⅲ类2A级进行复合装甲板的测试，可成功防护12.7mmAPI弹，V≥488m/s。
实施例2
1、按尺寸加工生产各材料层：
抗冲击层：原料为金刚石改性B4C陶瓷(其中金刚石含量为20wt％，碳化硼含量为80wt％，金刚石的粒径为50μm)，厚度为8.7mm；
支撑层：原料为碳纤维复合材料(其中碳纤维为T800，含量为70wt％；环氧树脂含量为30wt％)，厚度为4.0mm；原料为双酚A-聚碳酸酯，厚度为3.5mm；
变形吸能层：原料为超高分子量聚乙烯复合材料(其中超高分子量聚乙烯纤维FT-132含量为70wt％，聚烯烃树脂含量为30wt％)，厚度5mm；
2、依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能层的顺序叠放，每层之间使用EVA胶膜进行粘接；
3、将步骤2固定好的各层材料放入热压罐进行复合，热压温度120℃，压力1Mpa，热压成型形成一体式复合结构的装甲板，随炉冷却，冷却至常温取出，得到复合装甲板。
根据MIL-PRF-46103E规定的Ⅲ类2A级进行复合装甲板的测试，可成功实现防护12.7mmAPI弹，V≥488m/s。
实施例3
1、按尺寸加工生产各材料层：
抗冲击层：原料为金刚石改性B4C陶瓷(其中金刚石含量为20wt％，碳化硼含量为80wt％，金刚石的粒径为50μm)，厚度为9.5mm；
支撑层：原料为碳纤维复合材料(其中碳纤维为T800，含量为70wt％；环氧树脂含量为30wt％)，厚度为3.5mm；原料为双酚A-聚碳酸酯，厚度为3.0mm；
变形吸能层：原料为超高分子量聚乙烯复合材料(其中超高分子量聚乙烯纤维FT-132含量为70wt％，聚烯烃树脂含量为30wt％)，厚度4.0mm；
2、依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能层的顺序叠放，每层之间使用EVA胶膜进行粘接；
3、将步骤2固定好的各层材料放入热压罐进行复合，热压温度120℃，压力1Mpa，热压成型形成一体式复合结构的装甲板，随炉冷却，冷却至常温取出，得到复合装甲板。
根据MIL-PRF-46103E规定的Ⅲ类2A级进行复合装甲板的测试，可成功实现防护12.7mmAPI弹，V≥488m/s。
对比例1
1、按尺寸加工生产各材料层：
抗冲击层：原料为金刚石改性B4C陶瓷(其中金刚石含量为20wt％，碳化硼含量为80wt％，金刚石的粒径为50μm)，厚度为9.5mm；
支撑层：原料为碳纤维复合材料(其中碳纤维为T800，含量为70wt％；环氧树脂含量为30wt％)，厚度为5.0mm；
变形吸能层：原料为超高分子量聚乙烯复合材料(其中超高分子量聚乙烯纤维FT-132含量为70wt％，聚烯烃树脂含量为30wt％)，厚度5.5mm；
2、依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能层的顺序叠放，每层之间使用EVA胶膜进行粘接；
3、将步骤2固定好的各层材料放入热压罐进行复合，热压温度120℃，压力1Mpa，热压成型形成一体式复合结构的装甲板，随炉冷却，冷却至常温取出，得到复合装甲板。
根据MIL-PRF-46103E规定的Ⅲ类2A级进行复合装甲板的测试，不能实现防护12.7mmAPI弹V50≥488m/s。
对比例2
1、按尺寸加工生产各材料层：
抗冲击层：原料为金刚石改性B4C陶瓷(其中金刚石含量为20wt％，碳化硼含量为80wt％，金刚石的粒径为50μm)，厚度为9.5mm；
支撑层：原料为芳纶Ⅲ复合材料，厚度为3.5mm；原料为碳纤维复合材料(其中碳纤维为T800，含量为70wt％；环氧树脂含量为30wt％)，厚度为3.5mm；
变形吸能层：原料为超高分子量聚乙烯复合材料(其中超高分子量聚乙烯纤维FT-132含量为70wt％，聚烯烃树脂含量为30wt％)，厚度4.5mm；
2、依次按照抗冲击层、支撑层和变形吸能层的顺序叠放，每层之间使用EVA胶膜进行粘接；
3、将步骤2固定好的各层材料放入热压罐进行复合，热压温度120℃，压力1Mpa，热压成型形成一体式复合结构的装甲板，随炉冷却，冷却至常温取出，得到复合装甲板。
根据MIL-PRF-46103E规定的Ⅲ类2A级进行复合装甲板的测试，不能实现防护12.7mmAPI弹V50≥488m/s。
检测实施例和对比例制备的复合装甲板的性能，检测结果如表1所示。
表1不同实施例和对比例的设计方案及其测试结果数据表
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种轻质防弹复合装甲板，包括依次叠加设置的抗冲击层、支撑层和变形吸能层，其特征在于，所述抗冲击层为金刚石改性B4C陶瓷层，所述支撑层为碳纤维复合材料层和聚碳酸酯层，所述变形吸能层为聚乙烯复合材料层；且所述碳纤维复合材料层近所述抗冲击层端。
2.根据权利要求1所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述金刚石改性B4C陶瓷层由金刚石和B4C制备得到，所述金刚石的含量为10～40wt％，所述B4C的含量为60～90wt％。
3.根据权利要求1或2所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述金刚石的粒径为50～200μm。
4.根据权利要求1所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述碳纤维复合材料层由高模量碳纤维和热固性环氧树脂制备得到，所述高模量碳纤维的含量为60～70wt％，所述热固性环氧树脂的含量为30～40wt％。
5.根据权利要求4所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述高模量碳纤维选自T300碳纤维、T700碳纤维和T800碳纤维中的一种或多种，所述热固性环氧树脂的拉伸强度大于80MPa，弯曲强度140MPa，断裂拉伸率大于2.8％。
6.根据权利要求1所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述聚碳酸酯层的聚碳酸酯为双酚A-聚碳酸酯，所述双酚A-聚碳酸酯的重均分子量为80000～100000。
7.根据权利要求1所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述聚乙烯复合材料层由聚乙烯纤维和热塑性树脂制备得到，所述聚乙烯纤维的含量为60～80wt％，所述热塑性树脂的含量为20～40wt％。
8.根据权利要求7所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述聚乙烯复合材料层中的聚乙烯的重均分子量大于1000000，所述热塑性树脂选自环氧树脂，所述热塑性树脂的拉伸强度大于50MPa，撕裂强度＞140kN/m，断裂伸长率＞2.5％。
9.根据权利要求1所述的轻质防弹复合装甲板，其特征在于，所述金刚石改性B4C陶瓷层的厚度为5～10mm，所述碳纤维复合材料层的厚度为3.0～5.0mm，所述聚碳酸酯层的厚度为2～5mm，所述聚乙烯复合材料层的厚度为3.0～8.0mm。
10.一种轻质防弹复合装甲板的制备方法，包括以下步骤：
将抗冲击层、支撑层和变形吸能层按照顺序依次叠加放置，每层之间进行粘接，热压后得到轻质防弹复合装甲板。
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