CN117029579A - 一种新型防弹装甲及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型防弹装甲及其制备方法，由自迎弹面至背弹面依次叠加的止裂布层（1）、球状陶瓷复合层、第一纤维复合材料层（4）、第二纤维复合材料层（5）组成；将陶瓷球之间以及与第一纤维复合材料层的半球壳体之间的间隙以液体硅橡胶填充，并同时在第一纤维复合材料层的各个半球槽内注入剪切增强液体并由第二纤维复合材料层封盖，可充分发挥多材料间的协同防弹作用，使在防弹板后的保护物完全不受动能冲击的影响，并有效降低背凸。该新型防弹装甲成型简易、稳定性好，可以适用于不同的环境和需求，提高使用价值。
Description
技术领域
本发明属于防弹装甲技术领域，尤其是涉及一种新型防弹装甲及其制备方法。
背景技术
在主要应用于坦克装甲车辆、武装直升机以及舰船关键部位的装甲防护领域，为有效的防各种小口径弹丸及破片的毁伤，保护人员及设备，研制轻型复合装甲，可提高战场生存力；此外，装甲轻量化是现代战争对装甲装备提出的重要要求，重量是影响装甲装备实现战场快速反应能力的主要因素之一，因而在满足高抗弹性能的前提下，要求装甲装备具有轻量化、高性能化、高机动灵活性。目前，国内外装甲防护领域，主要采用氧化铝、碳化硅、碳化硼等抗弹陶瓷作为迎弹面材料，芳纶、超高分子量聚乙烯等纤维增强复合材料作为背板的经典的三明治复合结构制备轻型复合装甲。存在防多发弹性能较差、弹丸打击后整体性较差易失效等缺陷。在严酷的战场环境下，对各种先进小口径枪弹的密集打击，防护性能有限，严重影响作战效能，且过于厚重，降低了装甲设备的机动灵活性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种新型防弹装甲及其制备方法，具体为：
一种新型防弹装甲，其特征在于，由自迎弹面至背弹面依次叠加的止裂布层、球状陶瓷复合层、第一纤维复合材料层、第二纤维复合材料层组成，剪切增强流体被封存设于第一纤维复合材料层与第二纤维复合材料层之间，球状陶瓷复合层自身以及其与第一纤维复合材料层之间的空隙由硅橡胶填充物填充。
进一步，所述球状陶瓷复合层由至少两层陶瓷球层叠加组成，每层陶瓷球层由若干个相同尺寸的陶瓷球按行、列顺序依次平铺而成，同行、同列的相邻两个陶瓷球相抵接；前一层陶瓷球层中位于内部区域的每个陶瓷球均与下一层陶瓷球层中的四个陶瓷球相抵接，前一层陶瓷球层中位于边缘的每个陶瓷球则与下一层陶瓷球层中的最少两个、最多四个陶瓷球相抵接。
进一步，所述第一纤维复合材料层包括平板体，平板体上形成有若干个按行、列依次排列的半球壳体，每个半球壳体形成槽口位于平板体背侧面的半球槽，剪切增强流体填充于半球槽内，并由第二纤维复合材料层通过与平板体背侧面相粘接从而将半球槽的槽口封堵。
优选的，第一纤维复合材料层的每个半球壳体的外表面分别与球状陶瓷复合层位于末尾的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接。
本发明通过多层结构设计，将陶瓷球之间以及与第一纤维复合材料层的半球壳体之间的间隙以液体硅橡胶填充，并同时在第一纤维复合材料层的各个半球槽内注入剪切增强液体并由第二纤维复合材料层封盖，可充分发挥多材料间的协同防弹作用。陶瓷球被嵌入到液体硅橡胶材料之中，起了增加硬度和防护能力的作用，当一个陶瓷球受到冲击时，所受到的力分散给在其后抵接的各个陶瓷球，每个二次作用的陶瓷球又将力传递给在其后抵接的半球壳体，随后半球壳体所形成的半球槽内的剪切增强流体消耗了大部分的动能。应力波在侧向位移减少，从而降低了应力波造成陶瓷的碎裂范围，极大地提高了整体的耐冲击性，使陶瓷受到冲击后碎裂部分不会飞散并可使裂纹延展程度降低，从而实现抵御对连续弹丸击打。剪切增强流体是一种具有非牛顿流体特性的流体，可以根据外部应力的大小改变流体的黏度和流动特性。将其填充在半球内部作为装甲的中间层，通过陶瓷传递到半球的动能并激发半球中的剪切增稠流体变为固态，集中的内应力集中在垂直方向上有效抵御了弹丸应力波作用，使得应力波径向扩散受到抑制，最后一道屏障是复合材料平板，可以增加装甲的冲击吸收能力用来阻拦最后所有的破片及动能，使在防弹板后的保护物完全不受动能冲击的影响，并有效降低背凸。该新型防弹装甲成型简易、稳定性好，可以适用于不同的环境和需求，提高使用价值。
进一步，第一纤维复合材料层的厚度为2mm-5mm，半球壳体的直径为10mm-50mm；所述第二纤维复合材料层为平板状，厚度为5mm-20mm。
进一步，第一纤维复合材料层和第二纤维复合材料层的增强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、PBO纤维、碳纤维、石英纤维中的一种或两种以上的组合。
进一步，剪切增强流体为二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的组合，浸渍于聚苯乙烯的十氢化萘溶液、聚异丁烯和聚环氧乙烷等溶液的一种或两种溶剂的组合中。
进一步，液体硅橡胶密度1-1.5g/cm3。
本发明还提供了上述的一种新型防弹装甲的制备方法，包括：
S1：铺层；先将止裂布铺平放入模具最底层，然后将陶瓷球水平交错放置两层，并且同层的相邻的陶瓷球彼此相抵接，下层中位于内部区域的每个陶瓷球均与上层的四个陶瓷球相抵接，下层中位于边缘的每个陶瓷球则与上层中的最少两个、最多四个陶瓷球相抵接；采用液体硅橡胶浸没陶瓷球之间的间隙，并使止裂布粘覆在下层陶瓷球表面，再在第二层陶瓷球层上放置第一纤维复合材料层，且第一纤维复合材料层的各个槽口朝上，并使其每个半球壳体的外表面与下面的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接；将剪切增强流体注入半球槽内，剪切增强流体与槽口所在平板体的上表面平齐，然后铺放上一层胶膜覆盖平板体上表面，最后将第二纤维复合材料层放置到胶膜上；
S2：复合固化；
S3：脱模。
进一步，复合固化工艺为模压工艺、真空袋压工艺或热压罐工艺中的任意一种。
本发明具有抗大口径弹、抗多发弹、低背凸、尺寸大小可调、设计灵活、薄型轻质等特点优点，可有效防御3发56式14.5mm穿甲燃烧弹连续射击，其环境适应性适用于各型装备对穿甲弹的防护需求，可广泛装备于陆、海、空等多方向领域，提高战场生存率。
附图说明
构成本发明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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的立体示意图；
图2为本发明实施例提供的剖视示意图；
图3为本发明实施例的防弹装甲结构组成及性能表；
图4为对比例的防弹装甲结构组成及性能表。
图中主要的附图标记：止裂布层1；第一层陶瓷球层2；第二层陶瓷球层3；陶瓷球21；陶瓷球31；第一纤维复合材料层4；平板体40；半球壳体41；半球槽410；剪切增强流体6；第二纤维复合材料层5；硅橡胶填充物7。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不应理解为对本发明的限制。
本发明出现的“多个”指的是两个以上（包含两个）。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，不应理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图所示，本发明由自迎弹面至背弹面依次叠加的止裂布层1、球状陶瓷复合层、第一纤维复合材料层4、第二纤维复合材料层5组成，剪切增强流体6被封存设于第一纤维复合材料层4与第二纤维复合材料层5之间，球状陶瓷复合层自身以及其与第一纤维复合材料层4之间的空隙由硅橡胶填充物7填充。
进一步，第一纤维复合材料层4与第二纤维复合材料层5由胶膜粘接固定。
所述球状陶瓷复合层由至少两层陶瓷球层叠加组成，在本实施例中，由两层陶瓷球层：第一层陶瓷球层2和第二层陶瓷球层3叠加组成；每层陶瓷球层2、3由若干个相同尺寸的陶瓷球21、31按行、列顺序依次平铺而成，同行、同列的相邻两个陶瓷球相抵接；如图1和图2所示实施例中，第一层陶瓷球层2由5行*7列个陶瓷球21组成，第二层陶瓷球3由6行*6列个陶瓷球31组成，前一层陶瓷球层（如本实施例的第一层陶瓷球层2）中位于内部区域的每个陶瓷球均与下一层陶瓷球层（如本实施例的第二层陶瓷球层3）中的四个陶瓷球相抵接，前一层陶瓷球层（如本实施例的第一陶瓷球层2）中位于边缘的每个陶瓷球21则与下一层陶瓷球层（如本实施例的第二陶瓷球层3）中的最少两个、最多四个陶瓷球31相抵接。
所述陶瓷球是由碳化硼、碳化硅、氧化铝中的一种或两种及以上的材质制成，所述陶瓷球的直径为5mm-20mm。
陶瓷球表面经喷砂处理，陶瓷球表面涂层砂采用石英砂、钢砂、氧化铝砂等中的一种或两种以上的组合。
第一纤维复合材料层4和第二纤维复合材料层5经模压工艺制备而成。
所述第一纤维复合材料层4包括平板体40，平板体40上形成有若干个按行、列依次排列的半球壳体41，每个半球壳体41形成槽口位于平板体40背侧面的半球槽410，剪切增强流体6填充于半球槽410内，并由第二纤维复合材料层5通过与平板体40将背侧面相粘接从而将半球槽410的槽口封堵。
同时，第一纤维复合材料层4的每个半球壳体41的外表面分别与球状陶瓷复合层位于末尾的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接。
第一纤维复合材料层的厚度为2mm-5mm，半球壳体41的直径为10mm-50mm；所述第二纤维复合材料层为平板状，厚度为5mm-20mm。
第一纤维复合材料层和第二纤维复合材料层的增强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、PBO纤维、碳纤维、石英纤维中的一种或两种以上的组合。
剪切增强流体填充于第一纤维复合材料层的每个半球壳体所形成的半球槽410内；所述剪切增强流体为二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等中的一种或两种以上的组合，浸渍于聚苯乙烯的十氢化萘溶液、聚异丁烯和聚环氧乙烷等溶液的一种或两种溶剂的组合中
液体硅橡胶填充于陶瓷球之间以及陶瓷球与第一纤维复合材料层之间的间隙，所述液体硅橡胶密度1-1.5g/cm3。
本发明的复合固化工艺为模压工艺、真空袋压工艺或热压罐工艺中的任意一种。
本发明的制备方法的一个实施例：按如下步骤进行：
（1）陶瓷球表面喷砂处理：
选用10mm直径碳化硼陶瓷球，表面采用80目的石英砂对陶瓷球进行喷砂处理，然后用酒精清洗，干燥后用无纺布均匀涂抹硅烷偶联剂后，在100℃下放入烘箱干燥；
（2）制备第一纤维复合材料层：
将20层芳纶纤维预浸料放入相应的组合模具中模压成型，压制成为带有多个紧密排列的半球壳体的板体，每个半球壳体外径20mm，内径14mm，复合材料面密度为3kg/m2；
（3）制备第二纤维复合材料层：
将34层超高分子量聚乙烯纤维预浸料放入平板模具中模压成型，复合材料面密度5kg/m2；
（4）制备剪切增强流体：
采用质量分数占30%的80-160nm二氧化硅微粒浸渍于聚乙二醇中充分混合，制备而成所需的剪切增强流体。
（5）复合成型：
S1：铺层，将芳纶止裂布、液体硅橡胶、陶瓷球、第一纤维复合材料层、剪切增强流体、胶膜和第二纤维复合材料层放入模具内；具体的，先将止裂布铺平放入模具最底层，然后将陶瓷球水平交错放置两层，并且同层的相邻的陶瓷球彼此相抵接，下层中位于内部区域的每个陶瓷球均与上层的四个陶瓷球相抵接，下层中位于边缘的每个陶瓷球则与上层中的最少两个、最多四个陶瓷球相抵接；采用液体硅橡胶浸没陶瓷球之间的间隙，并使止裂布粘覆在下层陶瓷球表面，再在第二层陶瓷球层上放置第一纤维复合材料层，且第一纤维复合材料层的各个槽口朝上，并使其每个半球壳体41的外表面与下面的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接；将剪切增强流体注入半球槽410内，剪切增强流体与槽口所在平板体40的上表面平齐，然后铺放上一层胶膜覆盖平板体上表面，最后将第二纤维复合材料层放置到胶膜上；
S2：复合固化，采用模压工艺进行固化成型，成型工艺按照两个阶段进行，第一阶段压强为1.2MPa,温度90℃，时间10min；第二阶段压强为1.2MPa,温度105℃，时间120min；
S3：脱模，获得本发明的新型防弹装甲。
该实施例的复合装甲的结构组成及性能如图3中的表1所示。
对比例：
按如下步骤进行：
（1）陶瓷板表面喷砂处理：
选用20mm厚碳化硼陶瓷板，表面采用80目的石英砂对陶瓷球进行喷砂处理，然后用酒精清洗，干燥后用无纺布均匀涂抹硅烷偶联剂后，在100℃下放入烘箱干燥。
（2）芳纶纤维复合材料板制备：
将100层芳纶纤维预浸料放入模具中模压成型，复合材料面密度为14kg/m2。
（3）纤维复合材料平板制备：
将68层超高分子量聚乙烯纤维预浸料放入平板模具中模压成型，复合材料面密度10kg/m2。
（4）防弹装甲复合成型：
S1：铺层，依次将超高分子量聚乙烯纤维复合材料板、胶膜、芳纶纤维复合材料板、胶膜、碳化硼陶瓷板、胶膜、芳纶止裂布按顺序叠放。
S2：复合固化，采用模压工艺进行固化成型，成型工艺按照两个阶段进行，第一阶段压强为1.2MPa,温度90℃，时间10min；第二阶段压强为1.2MPa,温度105℃，时间120min；
S3：脱模，获得对比结构防弹装甲。
该对比例复合装甲的结构组成及性能如图4中的表2所示。
由图3和图4可见，在法线角0°、15米距离通过56式14.5mm穿甲燃烧弹连续射击后，按本发明制备的实施例中的防弹装甲背凸最大仅有6mm，本发明制备的防弹装甲可以抵御3发穿甲弹连续射击而均未击穿，而对比例的防弹装甲只能做到抵御1发穿甲弹，第2发就已被击穿。采用新型结构优于传统防弹材料，结构选配灵活度高，可根据实际应用环境调节剪切增稠流体浓度和陶瓷、半球直径改变厚度，可有效防多发56式14.5mm穿甲燃烧弹等大口径枪弹的射击，并极大的减少背凸，防止防弹装甲板后置主体结构的毁伤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种新型防弹装甲，其特征在于，由自迎弹面至背弹面依次叠加的止裂布层（1）、球状陶瓷复合层、第一纤维复合材料层（4）、第二纤维复合材料层（5）组成，剪切增强流体（6）被封存设于第一纤维复合材料层（4）与第二纤维复合材料层（5）之间，球状陶瓷复合层自身以及其与第一纤维复合材料层（4）之间的空隙由硅橡胶填充物（7）填充。
2.根据权利要求1所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，所述球状陶瓷复合层由至少两层陶瓷球层叠加组成，每层陶瓷球层由若干个相同尺寸的陶瓷球按行、列顺序依次平铺而成，同行、同列的相邻两个陶瓷球相抵接；前一层陶瓷球层中位于内部区域的每个陶瓷球均与下一层陶瓷球层中的四个陶瓷球相抵接，前一层陶瓷球层中位于边缘的每个陶瓷球则与下一层陶瓷球层中的最少两个、最多四个陶瓷球相抵接。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，所述第一纤维复合材料层（4）包括平板体（40），平板体（40）上形成有若干个按行、列依次排列的半球壳体（41），每个半球壳体形成槽口位于平板体背侧面的半球槽（410），剪切增强流体（6）填充于半球槽（410）内，并由第二纤维复合材料层（5）通过与平板体（40）背侧面相粘接从而将半球槽（410）的槽口封堵。
4.根据权利要求3所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，第一纤维复合材料层（4）的每个半球壳体（41）的外表面分别与球状陶瓷复合层位于末尾的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接。
5.根据权利要求3所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，第一纤维复合材料层的厚度为2mm-5mm，半球壳体的直径为10mm-50mm；所述第二纤维复合材料层为平板状，厚度为5mm-20mm。
6.根据权利要求3所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，第一纤维复合材料层和第二纤维复合材料层的增强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、PBO纤维、碳纤维、石英纤维中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，剪切增强流体为二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的组合，浸渍于聚苯乙烯的十氢化萘溶液、聚异丁烯和聚环氧乙烷等溶液的一种或两种溶剂的组合中。
8.根据权利要求1所述的一种新型防弹装甲，其特征在于，液体硅橡胶密度1-1.5g/cm3。
9.如权利要求1所述的一种新型防弹装甲的制备方法，其特征在于，包括：
S1：铺层；先将止裂布铺平放入模具最底层，然后将陶瓷球水平交错放置两层，并且同层的相邻的陶瓷球彼此相抵接，下层中位于内部区域的每个陶瓷球均与上层的四个陶瓷球相抵接，下层中位于边缘的每个陶瓷球则与上层中的最少两个、最多四个陶瓷球相抵接；采用液体硅橡胶浸没陶瓷球之间的间隙，并使止裂布粘覆在下层陶瓷球表面，再在第二层陶瓷球层上放置第一纤维复合材料层，且第一纤维复合材料层的各个槽口朝上，并使其每个半球壳体的外表面与下面的陶瓷球层中的四个陶瓷球分别相抵接；将剪切增强流体注入半球槽内，剪切增强流体与槽口所在平板体的上表面平齐，然后铺放上一层胶膜覆盖平板体上表面，最后将第二纤维复合材料层放置到胶膜上；
S2：复合固化；
S3：脱模。
10.根据权利要求9所述的一种新型防弹装甲的制备方法，其特征在于，复合固化工艺为模压工艺、真空袋压工艺或热压罐工艺中的任意一种。
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