CN1231723A - 用于复合防护层的陶瓷体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于一复合防护板中的陶瓷体(10),陶瓷体为圆柱形,带有至少一个凸出的弧形端面(12),其中圆柱体的直径D与至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.64∶1。

Description

用于复合防护层的陶瓷体
本发明涉及一种用于一复合防护板中的陶瓷体。更具体地说，本发明涉及用于可能被使用者磨损的提供重量轻的冲击保护的防护板中的改进的陶瓷体，并用于防护移动装备和陆地、空中及水陆两用飞行装备受到高速火炮或弹片的冲击。本发明还包括带有所述陶瓷体的一种复合防护层和冲击防护层。
在涉及防护板时主要有三种考虑。第一种考虑对重量。用于重型的但可移动的军事设施如坦克或大型舰只的防护层已为人所知。这种防护层通常包括一个厚合金钢板层，用于防止重型爆炸性武器。由于其重量，这种防护层很不适用于轻型运载工具如汽车、吉普车、小型船只或飞机，其性能由具有厚于几毫米的钢板而破坏。
用于包括陆地、空中和水陆两用的运载工具的防护层是为了防止具有任何重量的炮弹的渗入，即使冲击速度为每秒700至1000米亦然。用于轻型运载工具的防护层的最大重量随运载工具的类型而变化，但通常位于40-100kg/m2。
第二种考虑是成本。过于复杂的防护层设置，尤其是那些完全依靠合成纤维的防护层占了整个运载工具成本的很大一部分，这使得其制造无利可图。
最近的防护层装置的例子在美国专利4,836,084中描述，其中公开了一种包括由一铝制的开口蜂窝结构构成的支撑板的复合防护板；而美国专利4,868,040公开了一种包括一冲击吸声层的防冲击复合防护层。而在美国专利4,529,640中公开了包括了一六边形蜂窝中心件的隔开的防护板。
陶瓷材料是非金属、无机固体，具有一晶体或玻璃结构，并具有许多有用的物理特性，包括绝热、耐磨和耐压缩、高硬度、相比于钢重量轻，而且化学稳定性优良。
这些特性长期以来已引起防护层设计者的注意，而厚度为从用于个人防护的3mm至用于军事运载工具保护的50mm的实心陶瓷板对此用途具有商业价值。
为改进陶瓷材料的低延展性、低韧性强度以及低的脆性已做了许多研究；但是这些仍然是陶瓷板以及其他大部件的主要缺点，它们在受到射击物冲击时会变裂或变碎。
重量轻、柔性的布做的防护板已用了许多年了，用于防轻武器射击或碎片的个人防护。这种防火层的例子可见美国专利No.4,090,005。这种布当然对防低能量的射击物如从几百米远外射来的很有效，但不能保护穿戴者免受近距离发射的高速子弹的伤害。如果要想提供这种保护，这种布的重量和/或成本不利于其使用。另一个这种布已知的问题是即使它能阻止子弹，但由于凹入身体的防护衣中而对使用者产生伤害，这是由于身体上的一个极小的区域受到冲击而需要吸收子弹的能量。
现有防护层的一个常见问题是防护结构由第一次射击损坏，不论第一次射击物是停下还是穿入。这种损坏减弱了防护板，因此使下一次射击物可进入，而第二次只在第一次射击的几厘米范围之内。
因此本发明是为了避免现有陶瓷防护层的缺点，并提供用于复合防护板中的陶瓷体，这种防护板能有效防止穿透防护层、高速、小口径手枪的子弹，但重量轻因此可以用于复合板中，其重量少于45kg/m2，在用于个人防护及轻运输工具时约为9磅/英尺2而在用于重型运载工具和/或用于防重武器时其重量可以增大。
在防护层材料的领域中，术语“表面质量”和“重量”经常可互换，而在本说明书也如此。另一种表达上述概念的方式涉及“一不超过450牛顿/米2的表面重量”。
本发明的另一目的是提供一种防护板，它能特别有效地阻止作用在防护板基本同一区域上的多个射击物。
因此，根据本发明提供了一种用于复合防护板中的陶瓷体，所述陶瓷体基本为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，其中所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之比D/R至少为0.64∶1。
在本发明的一优选实施例中，所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之比D/R至少为0.85∶1。
在本发明的一特别优选实施例中，所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R在0.85∶1和1∶28∶1之间。
在本发明又一优选实施例中，所述圆柱体直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为1.28∶1。
美国专利4,665,794公开了在一种用于复合防护层中的球形陶瓷管件的使用。美国专利4,179,979、3,705,558和4,945,814公开了在一种复合防护层结构中的陶瓷球体的使用。但上述的专利中设有一个给出或提出如这里限定的陶瓷体的特别的形状以及如下面的对比例A中示出的特别优良的特性。
用于本发明的陶瓷体最好含有一种重量至少占85％的Al2O3成分，而且其特定比重至少为2.5g/cm3，尤其是最好含有一重量至少占90％的Al2O3成分，而且其特定比重至少为3g/cm3，其硬度至少为莫氏硬度9。
基本为圆柱形且至少具有一凸出的弧形端面的陶瓷体已为公知并且在以色列、意大利、印度、德国和美国的许多工厂中磨制而成。但这些陶瓷体经发现在用于一复合防护板中特性具有缺陷，这在下面的对比例A中进行了描述，其中高度H为7.5mm而直径D为12.8mm的这些陶瓷体当处于压力在1.9至2.5吨的冲击力中时变碎，而本发明的具有相同高度和直径但曲率半径比这里所述的现有的陶瓷体小的陶瓷体却令人吃惊地在相同条件下超过5吨的压力下才变碎，而在本发明的特别优选的实施例中在承受超过6甚至7吨的压力下才变碎。
如下所解释和示例，通过阻止高速射击物能量而表现的本发明的具有特别优良特性的陶瓷体，是通过改变所述陶瓷体的所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径而实现的，这种变化在现有技术中既没有给出，也没有提出，事实已证明所有生产这种陶瓷体的厂家生产出的陶瓷体的曲率半径都与本发明发现和提出的这种不同。
因此，根据本发明一系列陶瓷体的优选实施例，这些陶瓷体的特征在于：不包括其各凸出的弧形端面高度的所述圆柱体的高度H、所述圆柱体直径D以及所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R的相对比例H/D/R约在7.5∶12.8∶9和7.5∶12.8∶20之间，而现有技术中带有至少一个凸出的弧形端面的基本为圆柱形的陶瓷体中，不包括其各凸出的弧形端面高度的所述圆柱体的高度H、所述圆柱体直径D以及所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R的相对比例H/D/R约在7.5∶12.8∶25和7.5∶12.8∶30之间。
尽管本发明和为对比目的而提出的现有技术的陶瓷体的高度H均取为7.5mm，但可以理解本发明的陶瓷体可以具有不同的高度如在6mm和20mm之间，这取决于设计所满足的冲击程度，而只要这里限定的相对比例D/R能满足，仍构成本发明的组成部分。
同样，本发明的陶瓷体的直径可以改变，如参照以下图8至11所示，只要这里限定的相对比例D/R能满足。
在本发明一个进一步实施例中，所述陶瓷体设有两个凸出的弧形端面，其中所述圆柱体直径D与所述每个凸出的弧形端面的曲率半径R的比D/R至少为0.64∶1。
在本发明的另一个方面，提供了一种吸收和分散高速射击物动能的复合防护层，其中包括一个设有由多个高密度陶瓷体组成的层的板，每个所述陶瓷体基本为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，而每个所述陶瓷体有一个主轴，基本垂直于其各弧形端面的轴线，其中每个所述圆柱体的直径D与每个所述陶瓷体各凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比例D/R至少为0.64∶1，而且陶瓷体设成多个相邻的行和列，所述陶瓷体的主轴相互之间基本平行且基本垂直于所述板的一相邻的表面。
如下可见，所述板通常具有基本平行的表面而当所述陶瓷体的主轴基本垂直所述板的相邻表面时所述陶瓷体的凸出的弧形面朝向所述表面之一，但所述板也可以是弧形的，在这种情况下上述描述不准确适用。
在本发明这种情况下的优选实施例中提供了一种从高速射击物吸收和分散动能的复合防护层，包括一个板，此板基本由一整块由多个高密度陶瓷体组成的内部层组成，陶瓷体由一固化材料粘结和保持在板中，每个所述陶瓷体基本为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，而每个所述陶瓷体有一垂直于其各弧形端面轴线的主轴，其中每个所述圆柱体的直径D与每个所述陶瓷体的各凸出的弧形端面的曲率半径R的比例D/R至少为0.64∶1，而且所述陶瓷体设成多个行和列，所述陶瓷体的主轴基本相互平行。
在本发明一特别优选的实施例中，所述板有一个内表面和一个外表面，所述外表面面向冲击力一侧而且所述陶瓷体设成多个相邻的行，所述陶瓷体的圆柱轴线基本相互平行且垂直于板的表面，而凸出的弧形端面朝向外表面，并且所述复合防护层进而包括一同所述板的所述内表面相邻的内层；所述内层由多个相邻的层组成，每个层包括多个嵌在一聚合模型中的单向同平面抗冲击纤维，相邻层的纤维彼此成45°至90°之间的角。
下面参照附图将结合特定优选实施例描述本发明，以便能充分理解本发明。
下面详细参照附图，其重点在于给出的详细描述以示例性方式且仅以示例讨论本发明优选实施例目的给出，并以对本发明原理和概念最有用和最易理解的形式给出。在这点上，对基本理解本发明没必要的本发明的详细的结构细节没有示出，结合附图所做的描述使得本领域普通技术人员十分清楚本发明的几个组成在实际中是如何体现的。
在附图中：
图1是本发明陶瓷体一优选实施例的一侧视图；
图2是标有特定尺寸的本发明一特别实施例的一剖视图；
图3是标有特定尺寸的本发明一第二特别实施例的一剖视图；
图4是标有特定尺寸的本发明一第三特别实施例的一剖视图；
图5是具有两个弧形端面的一陶瓷体的一侧视图；
图6是使用陶瓷体的一板的局部立体图；
图7是板一小段的一立体图，其中一种可浇铸材料填充在陶瓷体之间的间隙中；
图8是标有特定尺寸的本发明一进一步的特别实施例的一剖视图；
图9是标有特定尺寸的本发明一进一步的特别实施例的一剖视图；
图10是标有特定尺寸的本发明的另一特别实施例的一剖视图；而
图11是标有特定尺寸的本发明又一特别实施例的一剖视图。
图1中可见一用于一复合防护板中的一陶瓷体10。陶瓷体10为圆柱形，并且有一凸出的弧形端面12。弧形端面12的曲率半径由字母R表示。所述圆柱体的直径用字母D表示，而不包括所述凸出的弧形端面高度的所述圆柱体高度由字母H表示。
至于用于本发明的陶瓷体的组分，优选型为铝，其中Al2O3的重量至少为85％，而比重至少为2.5。最好Al2O3的重量至少为90％，而比重为3或高于3。硬度至少为莫氏9。
下面参照图2，示出了一种本发明的特别尺寸的陶瓷体14。凸出的弧形端面16的曲率半径R为20mm，而不包括所述凸出的弧形端面高度的圆柱体高度H为7.5mm。在为12.8mm的所述圆柱体的直径D与在此实施例中为20mm的曲率半径R之间的比例D/R为12.8/20=0.64。陶瓷的成分与参照图1描述的陶瓷体一样。
图3示出了用于一防护层中的一陶瓷体18，它具有一小半径的所述的凸出的端面20，这能进一步改进陶瓷体18的防破碎性并进一步防冲击。在此实施例中，凸出的弧形端面20的曲率半径为15mm，而不包括所述凸出的弧形端面高度的圆柱体高度H为7.5mm。所述12.8mm的圆柱体直径D与在此实施例中为15mm的曲率半径R之间的比D/R为12.8/15=0.85。陶瓷成分与参照图1描述的陶瓷体一样。
图4示出了一具有更优选尺寸的陶瓷体22。凸出的弧形端面的曲率半径R为9mm，而不包括所述凸出的弧形端面高度的圆柱体高度为7.5mm。所述12.8mm的圆柱体直径D与在此实施例中为9mm的曲率半径R之间的比D/R为12.8/9=1.4。陶瓷的成分与参照图1描述的陶瓷体一样。
参照图5示出了一与图2示出的相似的陶瓷体24，但设有两个凸出的弧形端面26、28。陶瓷体直径与端部半径的比与图2中的一样。实际上这种结构是本发明所有实施例中最优选的，因为弧形端面的效果不仅能抵抗飞来的射击物，而且能抵挡防护板后退。
陶瓷体每端凸出的弧形进一步增强了在冲击下的抗破碎性，并使在使用时更方便，因为在随后装入防护板中时不需要特别仔细考虑陶瓷体的定位。
下面参照图6，示出了一种吸收和发散来自高速射击物特别是来福枪子弹和弹壳以及手榴弹碎片的能量的复合防护层。
一板30设有一层多个高密度陶瓷体32。它们基本为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面34。每个柱体的主轴AA基本垂直于其各弧形端面34的轴线。柱体直径与端部半径之比至少为0.64∶1。柱体32设成多个相邻的行和列。柱体32的主轴AA基本相互平行，并垂直于板表面38。
在此实施例中柱体32固定在一外钢板40和一内层42之间，内层42最好由一种高强度抗冲击纤维如由多层Kevlar、Dyneema、Goldshield构成、一种以其商标名Famaston命名的材料、玻璃纤维等制成，尽管发现外钢板对装有本发明陶瓷体的板的阻挡效果不是必要的，但当本发明的陶瓷体装在一受防护的运载工具中时可以带有钢板。
应注意到，本发明的优选实施例将包括至少一个内层，最好其中装有抗冲击纤维和玻璃、聚烯烃、聚乙烯、聚酰胺和液态水晶聚合体。所述纤维的模数最好大于150克/支且其抗拉强度大于7克/支。
图7示出了吸收和发散来自高速射击物动能的一种进一步的复合防护层。一板设有一整块由多个高密度陶瓷体组成的内层。陶瓷体由一种固化材料粘结并固定成板状形式。这种材料可以是一种环氧树脂，其重量是首要的考虑因素，因为它要用于个人防护层或飞机上。对船只和陆地运载工具一种铝合金材料可以改进防护效果而不用增加重量。前面已参照图6描述过的陶瓷体32设置成相邻的多行和列。柱体32的主轴AA基本相互平行，并垂直于板表面50。
见图8-11，示出了具有不同优选尺寸的各种陶瓷体。所述圆柱体直径D在图8和9中为19而在图10和11中分别为25.4和32。在这些柱体中，每个凸出的弧形端面的曲率半径R分别是20mm、16.54mm、20mm和25mm，而所述圆柱体直径D与曲率半径R之间的比D/R分别是0.95∶1、1.148∶1、1.27∶1和1.28∶1。陶瓷成分与参照图1描述的陶瓷体一样。
对比例A
从Wheelabrator-Allevard(意大利)、Jyoti陶瓷工业有限公司(印度)、Spherotech有限公司(德国)以及Union Process(美国)订购了多个具有圆柱形并带有至少一个凸出的弧形端面的陶瓷体。其中每个所述陶瓷体的高度H为7.5mm，直径D为12.8mm，而曲率半径R分别为33mm、28mm、34mm和31mm，并同本发明准备的曲率半径分别为20mm、15mm、10mm、9.5mm和9mm的不同陶瓷体进行比较。
这些陶瓷体是由Al2O3陶瓷粉末精制而成，粉末碾成大小约为180-200微米。碾碎的粉末在清洗后用压力至少为50吨的水压机在一适当的模子里压成所述的柱体。形成的柱体再放入一温度至少为700℃的炉子里至少10小时最好至少48小时。
每个所述的陶瓷体放入一M.50/1型水压机中，水压机由以色列的Taamal Mizra Kibbutz Mizra制造，其中活塞为C-57-G型，并能产生50吨的压力，每个陶瓷体的破碎点记录如下：
意大利陶瓷体                      2.1吨
印度陶瓷体                        3.3吨
德国陶瓷体                        1.9吨
美国陶瓷体                        2.5吨
本发明R为20mm的陶瓷体             5吨
本发明R为15mm的陶瓷体             6吨
本发明R为10mm的陶瓷体             7.3吨
本发明R为9.5mm的陶瓷体            7.4吨
本发明R为9mm的陶瓷体              7.5吨
由本发明陶瓷体形成的板经过冲击试验表现出超乎寻常的优良特性。
表1再现了在如图6所示的一板上进行的抗冲击试验的试验报告，其中板包含了一批尺寸如图9所示的陶瓷体，由环氧树脂粘结而不带有钢板40。
图6的板设有由Dyneema形成的厚为17mm的一内层，以及进一步的6.3mm厚的铝制衬板。
如表1所示，在第一次射击试验中使用的弹药是高速的20mmSTM弹丸碎片，而余下的射击试验中射向同样的本发明24.5×24.5英寸板的是14.5mm的穿过防护层的B-32子弹，其平均速度高出很多。可以看出，平均速度只有3,328英尺/秒时，第八次防护层刺穿的B-32子弹才穿过板，而此前板已经受了7次冲击，而标准为只要能在较低一些的速度下在同样大小的板上经受4次冲击即可。
表1
  记录日期：   6/18/97   H.P怀特实验室  任务号：7403-01
    经由：     手动     数据记录  试验日期：6/19/97
    返回：     手动   -抗冲击试验-     客户：I.B.C
案卷(HPWLP)：   IBC-I.PIN
试验板
描述：专利权                    样品号：组-1/目标-1
厂家：专利权                    重量：78.3磅(a)
尺寸：24.5×24.5英寸            硬度：-
厚度：-                        堆/层：-
平均厚度：-弹药
(1):20mm碎片等                  组号：
(2):14.5mm B-32                 组号：
(3):                            组号：
(4):                            组号：方案
速度：15.0英尺&35.0英尺         目标范围：40.67英尺
射击间隔：由客户要求            范围数量：3
枪号/炮：20-30mm/14.5-1         内衬材料：-
斜度：0度                       观察到的目标：6.0英寸
观察板：0.020″2024-T3铝可应用的标准或措施
(1)：由客户要求
(2)：
(3)：
  射击次数  弹药      时间秒×10.5    速度英尺/秒     时间秒×10.5    速度英尺/秒   平均速度英尺/秒 速度损失英尺/秒   剩余速度英尺/秒 穿透 备注
    1  1     487.8     4100     488.0     4098     4099     95     4004 无
    2  2     723.5     2764     723.7     2764     2764     7     2757 无
    3  2     715.8     2794     716.1     2793     2794     7     2787 无
    4  2     714.1     2801     714.4     2800     2800     7     2793 无
    5  2     703.9     2841     704.1     2840     2840     7     2833 无
    6  2     653.1     3062     653.2     3062     3062     7     3055 无
    7  2     640.1     3124     640.3     3124     3124     7     3117 无
    8  2     600.8     3329     601.0     3328     3328     7     3321 子弹/碎片
备注：                                                                           注：当地大气压-29.88英尺汞柱，温度-72.0F相对湿度-69％(a)重量不包括软的编织酰胺盖的1.3磅
对本领域普通技术人员而言，本发明不受上面描述的实施例的细节限制而且在不脱离本发明宗旨或基本特征前提可以以其它方式实施本发明是显而易见的。因此本实施例应被认为只是示意性而非限定性，本发明的范围由权利要求而非上面的说明书表明，而且落入与权利要求同等的意思或范围内的任何改动都应认为包含在其中。

Claims (14)

1．一种用于一复合防护板中的陶瓷体，所述陶瓷体为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，其特征在于：所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.64∶1。
2．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.85∶1。
3．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R在0.84∶1与1.28∶1之间。
4．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：所述圆柱体的直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为1.28∶1。
5．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：具有重量至少为85％的Al2O3成分，且比重至少为2.5g/cm3。
6．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：具有重量至少为90％的Al2O3成分，且比重至少为3g/cm3。
7．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：硬度至少为莫氏9。
8．如权利要求1所述的一种陶瓷体，其特征在于：不包括所述凸出的弧形端面高度的所述圆柱体的高度H、所述圆柱体直径D与所述至少一个凸出的弧形端面的曲率半径R的相对比H/D/R在约7.5∶12.8∶9与7.5∶12.8∶20之间。
9．如权利要求1所述的陶瓷体，有两个凸出的弧形端面，其特征在于：所述圆柱体的直径D与每一个所述凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.61∶1。
10．一种吸收和发散高速弹丸动能的复合防护层，包括一个设有一层多个高密度陶瓷体的板，每个所述陶瓷体为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，而每个所述陶瓷体的主轴垂直于其各弧形端面的轴线，其特征在于：每个所述圆柱体的直径D与每个所述圆柱体各凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.64∶1，且所述陶瓷体设置成多个平行的行与所述陶瓷体的主轴相互平行并垂直于所述板的一相邻的表面。
11．一种吸收和发散高速弹丸动能的复合防护层，包括一个由一整块内层组成的板，内层由多个高密度陶瓷体组成，陶瓷体由一种固化材料直接粘结并固定成板状形式，每个所述陶瓷体为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，而每个所述陶瓷体的主轴垂直于其各弧形端面的轴线，其特征在于：每一个所述圆柱体的直径D与每一个所述陶瓷体的各凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.64∶1，而且所述陶瓷体设成多个相邻的行和列，所述圆柱体的主轴相互平行。
12．如权利要求10所述的一种复合防护层，其特征在于：所述板具有一内表面和一外表面，所述外表面面向冲击一侧而所述陶瓷体设成多个相邻的行，所述圆柱体的轴线彼此平行并垂直于板的表面而凸出的弧形端面朝向外表面。
13．如权利要求12所述的一种复合防护层，进一步包括一同所述板的所述内表面相邻的一内层，所述内层由多个相邻的层形成，每一层包括多个嵌入一聚合模型中的单向共面抗冲击纤维，相邻层的纤维彼此成45°至90°之间的角。
14．一种吸收和发散高速弹丸动能的冲击防护层材料，包括一设有一层多个高密度陶瓷体的板，每个所述陶瓷体为圆柱形，带有至少一个凸出的弧形端面，而且每个所述陶瓷体的主轴垂直于其各弧形端面的轴线，其特征在于：每一个所述圆柱体的直径D与每一个所述陶瓷体各凸出的弧形端面的曲率半径R之间的比D/R至少为0.64∶1，而且所述陶瓷体设成多个相邻的行和列，所述陶瓷体的主轴相互平行并垂直于所述板的一相邻的表面。
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