CN117906440A - 一种单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板及其制备方法，其中侧面约束陶瓷阵列层，包括包括若干阵列单元，所述阵列单元包括单向带和陶瓷块，所述单向带设置在陶瓷块外周，所述阵列单元拼接得到阵列层，相邻拼接缝呈错位排列，如“T”型“Y”型。止裂层在迎弹面方向有约束作用阻止陶瓷碎块崩落，单向带侧面约束陶瓷阻止陶瓷面板裂纹扩展，粘结层粘结强度高，使得陶瓷与背板之间受到拉应力时不会断裂，相互协同抵抗弹体的冲击与侵彻。该发明结构简单易实现，材料轻便易装配，与基体装甲结合能够满足复合装甲板抗密集打击的防弹需求。
Description
技术领域
本发明涉及防弹装甲技术领域，具体涉及一种单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板及其制备方法。
背景技术
随着现代化地面防空武器智能化、信息化水平的不断提高，攻击性武器装备(装甲、坦克和武装直升机等)在执行任务时的生存能力面临严酷挑战，这也对武器装备的装甲防护技术提出了更高的要求，要求现代防护装甲既具备抗单发弹打击能力，又具备抗密集打击能力。目前，武器装备的装甲防护为了减重增效，直升机、坦克和车辆等武器装备的防护多采用复合装甲板结构。目前的复合装甲板结构主要通过胶黏的方式将陶瓷面板和纤维复合材料吸能板粘合制成，并与武器装备本身的基体装甲配合，实现武器装备的防护功能。虽然该类装甲能够有效防护第一发子弹的打击，但是在密集打击情况下存在以下问题：
1.承受子弹高速冲击时，陶瓷之间没有缓冲导致裂纹扩展到周向陶瓷，陶瓷破坏区域较大降低抗多发弹性能。
2.传统陶瓷复合装甲结构中陶瓷之间仅有树脂粘接，树脂本身强度不高，容易被子弹的冲击波破坏，从而降低抗多发弹性能。
抗密集打击能力归根结底最主要的性能为子弹打在一个陶瓷单元上面，周围的陶瓷单元不受或者受到极小影响。为此，需要进一步优化复合装甲的结构设计方案，有效限制陶瓷碎块崩落和裂纹扩展，提高陶瓷与陶瓷之间以及陶瓷面板和纤维复合材料吸能板之间的结构强度，提高复合装甲板的抗密集打击能力。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，针对复合装甲板抗密集打击能力弱的问题和轻量化要求，本发明提供一种单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种单向带约束陶瓷阵列层，其包括若干阵列单元，所述阵列单元包括单向带和陶瓷块，所述单向带包裹陶瓷块，所述阵列单元拼接得到陶瓷阵列层。
优选的，所述单向带采用连续纤维，缠绕厚度在0.3～2mm之间，缠绕层数至少2层。
优选的，所述陶瓷块为规则几何形状，外周包裹所述单向带的预浸料或丝束，所述单向带采用连续纤维，它缠绕在陶瓷块外周后用树脂固化，形成纤维增强树脂基单向带，缠绕厚度在0.3～2mm之间，所述单向带包括玻璃纤维单向带、碳纤维单向带、超高分子量聚乙烯纤维单向带或芳纶纤维单向带中的一种或几种，所述阵列层的选材包括碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷中的一种或几种，所述单向带固化用的树脂包括环氧类和酚醛类热固性树脂。
优选的，所述单向带约束陶瓷阵列层，其成型方式为陶瓷块缠绕多层单向带后，利用单向带自带树脂的粘性或涂覆环氧类和酚醛类热固性树脂拼接在一起进热压罐固化，形成高结合强度的陶瓷板。
本发明提供一种基于单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板，其中：复合装甲板包括止裂层、粘结层、单向带约束陶瓷阵列层和纤维复合材料吸能层，所述单向带约束陶瓷阵列层、止裂层和纤维复合材料吸能层之间均设置粘结层。
优选的，所述粘结层采用高弹性热塑性树脂基胶膜、热固性树脂中的一种或几种，所述的止裂层包括玻璃纤维布、碳纤维布、超高分子量聚乙烯纤维布或芳纶纤维布中的一种或几种，所述吸能层包括超高分子量聚乙烯层压板、芳纶纤维层压板或其他纤维层压板中的一种或几种。
优选的，所述单向带约束陶瓷阵列层与止裂层、纤维复合材料吸能层同时复合固化。
优选的，所述复合装甲板可以单独防弹，也可以安装在基体装甲外侧，提高防护等级。
本发明提供一种复合装甲板的制备方法，其包括以下步骤：
将陶瓷块缠绕单向带后刷胶制成阵列单元；
将阵列单元拼接成陶瓷阵列层；
根据结构设计，复合成为含有陶瓷阵列层的功能梯度结构的复合装甲板
所述单向带最终在陶瓷块之间有三个优势：①可对陶瓷的约束作用②可作为陶瓷之间的缓冲带③利用高强度纤维增强树脂，不易被破坏。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种由“止裂层+粘结层+单向带约束陶瓷阵列层+粘结层+纤维复合材料吸能层”组成的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板结构，通过止裂层阻止陶瓷往外崩落使陶瓷碎片进一步犁削子弹，消耗能量。所述单向带是高性能纤维增强树脂基材料，是陶瓷与陶瓷之间高强度粘结材料，可以阻止陶瓷受子弹冲击时向四周扩散，此材料受子弹冲击波影响时，因内部含有高强度纤维而不会轻易断裂，在陶瓷之间起缓冲作用和保持结构牢固的作用。树脂粘结层提高止裂层、陶瓷面板和纤维复合材料吸能板三者之间粘结强度，它同时具有较高的断裂伸长率，使得陶瓷阵列层与背板之间受到拉应力时不会断裂，将各结构层之间紧密结合成为一个整体，相互协同抵抗子弹的冲击与侵彻。该发明结构简单易实现，材料轻便易装配，能够满足复合装甲板对于穿甲燃烧弹密集打击防护的需求。
附图说明
图1为本发明所述的复合装甲板的整体示意图；
图2为本发明所述的纤维单向带陶瓷阵列层阵列层结构示意图；
图3为本发明所述的不同几何形状陶瓷阵列单元结构示意图；其中(1)为陶瓷四边形结构陶瓷，(2)为六边形陶瓷结构。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。
本发明由“止裂层+粘结层+单向带约束陶瓷阵列层+粘结层+纤维复合材料吸能层”组成，采用热压工艺进行成型，如图1所示。止裂层为高强玻璃纤维布、碳纤维布、超高分子量聚乙烯纤维布或芳纶纤维布的一种或几种，粘结层为高弹性热塑性树脂基胶膜或热固型树脂，单向带约束陶瓷阵列层的陶瓷阵列单元为规则几何形状的陶瓷，所述规则几何形状陶瓷材料包括碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷，所述周向约束的单向带材料包括为高强玻璃纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维，如图2、图3所示。所述的纤维复合材料吸能层为超高分子量聚乙烯层压复合板或芳纶纤维层压复合板。
实施例1
本案例的单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板各层的材料及厚度分别为：高强芳纶纤维平纹布止裂层厚度：0.3mm；EVA粘结层厚度：0.1mm；碳纤维单向带侧面约束碳化硅陶瓷阵列层厚度：5.1mm；EVA粘结层厚度：0.1mm；PE纤维复合材料吸能层厚度：3.2mm。此结构装甲板设计面密度为19.5kg/m2，陶瓷列阵层内陶瓷与陶瓷的间隙1mm。先将厚度为0.17mm宽度为5.1mm的碳纤维单向带预浸料沿顺时针方向缠绕在50×50×5.1mm的碳化硅瓷片周向，缠绕3圈(厚度基本在0.5mm)后裁断便成为一个阵列单元。阵列单元为四边形陶瓷，将阵列单元以横向平铺排列竖向错位排列使得陶瓷拼接缝呈“T”字型的形式，组成陶瓷阵列层。各层按照顺序叠加好后，通过热压罐热压成型技术制备而成。将本方案复合装甲板与10mmTC4钛合金基体装甲用螺钉固定(模拟装甲板固定在基体装甲上面)，参照GJB59.18-1988《装甲车辆抗枪弹试验方法》，将组合靶板固定在测试靶架上，射击距离15米，用53式7.62mm穿甲弹，有效射击发数3发，弹速为800m/s～815m/s射击，入射角均为0°，对2块装甲典型件进行抗密集打击性能试验，测试结果均为未穿透。具体试验结果见表1。
表1复合装甲材料抗密集打击性能弹击试验结果
实施例2
本案例的单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板各层的材料及厚度分别为：高强芳纶纤维平纹布止裂层厚度：0.3mm；EVA粘结层厚度：0.1mm；碳纤维单向带侧面约束碳化硼陶瓷阵列层厚度：6mm；EVA粘结层厚度：0.1mm；PE纤维复合材料吸能层厚度：3.2mm。此结构装甲板设计面密度为18.6kg/m2，陶瓷列阵层内陶瓷与陶瓷的间隙1mm。先将厚度为0.17mm宽度为6mm的碳纤维单向带预浸料沿顺时针方向缠绕在50x50x6mm的碳化硼瓷片周向，缠绕3圈(厚度基本在0.5mm)后裁断便成为一个阵列单元。阵列单元为六边型陶瓷，将阵列单元以横向平铺排列竖向错位排列使得陶瓷拼接缝呈“Y”字型的形式，组成陶瓷阵列层。各层按照顺序叠加好后，通过热压罐热压成型技术制备而成，通过机加工将装甲板切割规则。将本方案复合装甲板与10mmTC4钛合金基体装甲组合在一起，参照GJB 59.18-1988《装甲车辆抗枪弹试验方法》，将试样固定在测试靶架上，射击距离15米，用53式7.62mm穿甲弹，有效射击发数3发，弹速为800m/s～815m/s射击，入射角均为0°，对2块装甲典型件进行抗密集打击性能试验，检测结果均为未穿透。具体试验结果见表2。
子弹攻击装甲时，首先接触到陶瓷，陶瓷因受到冲击力发生碎裂，冲击波以碎裂陶瓷为中心向外传播，在陶瓷与周向的单向带界面处时，大部分反射使单向带受到拉伸力的破坏，少部分冲击波透过单向带向周边陶瓷传播导致压应力碎裂，减少周边陶瓷的破坏情况，提高装甲的抗多发弹性能。
表2复合装甲材料抗密集打击性能射击试验结果
本发明提供一种单向带约束的陶瓷阵列功能梯度复合装甲板，其中周向约束陶瓷阵列层，包括单向带和陶瓷，所述单向带缠绕在陶瓷周向组成一个列阵单元，所述阵列单元依次排列得到阵列层。止裂层在迎弹面有约束作用阻止陶瓷碎块崩落，单向带侧面约束陶瓷阻止陶瓷面板裂纹扩展，粘结层提高陶瓷面板与止裂层、陶瓷面板与和纤维复合材料吸能板之间粘结强度，它同时具有较高的伸长率，使得陶瓷与背板之间受到拉应力时不会断裂，将各层之间紧密结合成为一个整体，相互协同抵抗弹体的冲击与侵彻。该发明结构简单易实现，材料轻便易装配，与基体装甲结合能够满足复合装甲板抗穿甲燃烧弹密集打击的防弹需求。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种单向带约束陶瓷阵列层，其特征在于：包括若干阵列单元，所述阵列单元包括单向带和陶瓷块，所述单向带包裹陶瓷块，所述阵列单元拼接得到陶瓷阵列层。
2.根据权利要求1所述的单向带约束陶瓷阵列层，其特征在于：所述单向带采用连续纤维，缠绕厚度在0.3～2mm之间，缠绕层数至少2层。
3.根据权利要求1所述的单向带约束陶瓷阵列层，其特征在于：所述陶瓷块为规则几何形状，外周包裹所述单向带的预浸料或丝束，所述单向带包括玻璃纤维单向带、碳纤维单向带、超高分子量聚乙烯纤维单向带或芳纶纤维单向带中的一种或几种，所述阵列层的选材包括碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷中的一种或几种，所述单向带固化用的树脂包括环氧类和酚醛类热固性树脂。
4.根据权利要求3所述单向带约束陶瓷阵列层，其特征在于：所述单向带约束陶瓷阵列层，其成型方式为陶瓷块缠绕多层单向带后，利用单向带自带树脂的粘性或涂覆环氧类和酚醛类热固性树脂拼接在一起进热压罐固化，形成高结合强度的陶瓷板。
5.基于权利要求1-4任一项所述的单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板，其特征在于：复合装甲板包括止裂层、粘结层、单向带约束陶瓷阵列层和纤维复合材料吸能层，所述单向带约束陶瓷阵列层、止裂层和纤维复合材料吸能层之间均设置粘结层。
6.根据权利要求5所述的单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板，其特征在于：所述粘结层采用高弹性热塑性树脂基胶膜、热固性树脂中的一种或几种，所述的止裂层包括玻璃纤维布、碳纤维布、超高分子量聚乙烯纤维布或芳纶纤维布中的一种或几种，所述吸能层包括超高分子量聚乙烯层压板、芳纶纤维层压板或其他纤维层压板中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板，其特征在于：所述单向带约束陶瓷阵列层与止裂层、纤维复合材料吸能层同时复合固化。
8.根据权利要求7所述的单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板，其特征在于：所述复合装甲板可以单独防弹，也可以安装在基体装甲外侧，提高防护等级。
9.权利要求5-8任一项所述的单向带约束陶瓷阵列层的复合装甲板的制备方法，其包括以下步骤：
将陶瓷块缠绕单向带后刷胶制成阵列单元；
将阵列单元拼接成陶瓷阵列层；
根据结构设计，复合成为含有陶瓷阵列层的功能梯度结构的复合装甲板。
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