CN1690642B - 高能材料，夹层部件，反应装甲部件及保护封闭体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制备防护性反应装甲的部件，该防护性反应装甲安装在易于遭到聚能装药弹头和诸如动能射弹和碎片等其他威胁攻击的封闭体的外面，从而提高了封闭体及其内容物的生存能力。本发明还涉及对该反应装甲有用的非爆炸性高能材料。
Description
技术领域
本发明涉及用于制备防护性反应装甲的部件，该防护性反应装甲安装在易于遭到聚能装药弹头和诸如动能射弹和碎片等其他威胁攻击的封闭体的外面，从而提高了封闭体及其内容物的生存能力。本发明还涉及对该反应装甲部件有用的非爆炸性高能材料。
可以通过用根据本发明的部件所制备的反应装甲部件进行防护的封闭体实例是诸如作战坦克、装甲运兵车、装甲战车、直升机和装甲自行炮等陆地交通工具；诸如建筑物、掩体的地上部分和用于储存燃料和化学品的容器罐等装甲静止建筑等。
背景技术
已知将具有聚能装药弹药，亦称为空心装药弹药的弹头用来穿透装甲，从而从内部摧毁受保护的目标及其内容物。聚能装药的这种能力源于如下事实：当爆炸时，可以形成又称为“刺”或“钉”的高能射流，所述射流以每秒数千米的极高速度前进，从而甚至能够穿透相对较厚的装甲壁。
近年来，可以得到多种对可爆炸的聚能装药的穿透效应提供防护的装置，其中一种结构具有至少一个反应装甲部件，其中所述反应装甲部件包括一系列的层，所述的层中包括一个或多个板层和紧密地靠在至少一个板层上的至少一层爆炸性材料或任何其他高能材料(“高能材料”-在激活/激发期间释放出能量的材料)。板层由例如金属或复合材料制成。
基本的反应装甲部件包含双金属板，在该金属板间夹有高能材料层。该现有技术的反应装甲部件是基于移动板的质量和能量损耗效应，且它们的功能取决于来袭空心装药威胁的射流与装甲本身之间所存在的锐角。
通常，反应装甲部件是多层体，其中，各层均紧密地靠在毗邻层上，其中所述多层体包括外壳板、至少一个高能材料层和至少一个中间惰性体，所述中间惰性体与至少一个高能材料层中的每一层并置。当激活/激发高能材料时(例如，当遭受聚能装药弹头的打击时)，射流为装甲提供能量，在此出现大量的能量释放，以便在数微秒内，使所排出的气体加速金属板并使它们彼此远离，从而瓦解/消除射流，由此使其失去穿透受保护的封闭体的能量。
虽然装甲的效能和生存能力是重要的，但装甲的总体性能是由通过将其效能与其生存能力相对比而决定。具有显著重要性的一个装甲标准是装甲部件每单位面积的重量比。另一个重要标准是是高能材料的敏感度。虽然敏感度对改善装甲效能是有利的，但它可能会降低装甲的生存能力，并且对于符合多种运输的要求也存在问题。
现已知有四组主要的用于装甲的中间材料，下文中将按照它们的高能特点的顺序加以披露：
A.爆炸性反应装甲(ERA)
爆炸性反应装甲是防御空心装药、动能射弹、小型武器、榴霰弹等的最有效的技术。先进的ERA思想据认为是针对新兴的反装甲威胁的跨越式领先技术。将ERA应用到地面战斗车辆的最大挑战是作为夹层部件中间层的爆炸材料的使用，其降低了装甲的生存能力。
B.自限爆炸反应装甲(SLERA)：
自限ERA提供了合理的性能，虽然要逊于ERA，但基本上优于NERA(见下文)，与ERA相比，降低了对车辆结构的影响。SLERA中的高能材料层可被划分为钝性材料(北约(NATO)规格)。SLERA在模块化结构中可以提供良好的抗多重打击能力。因此，虽然SLERA中所使用的高能材料不像可完全爆炸的爆炸物那样有效，但由于该类型反应装甲的生存能力特性，它可以提供比ERA更实用的选择。
C.非爆炸性反应装甲(NxRA)
非爆炸性反应装甲可以提供可与SLERA相比当的效能、可与NERA相比当的生存能力(见下文)，以及针对空心装药弹头的优良的抗多重打击能力。相对于其他反应装甲工艺，NxRA的优势在于它是完全钝性的，并具有充分优于NERA的性能。用于NxRA的高能材料披露于例如DE3132008C1和US 4,881,448中。
D.非高能反应装甲(NERA)：
非高能反应装甲对空心装药具有有限的效能。与NxRA相比，NERA的优势在于它是完全钝性的，因此能提供优良的生存能力和最大化的抗多重打击能力。
发明内容
本发明的一个目的是提供适用于NxRA的非爆炸性高能材料，该NxRA不包含爆炸性材料并实现了其防护功能(装甲的高效能和高生存能力)，同时根据各种标准，例如关于危险品运输的建议(Recommendations onthe Transport of Dangerous Goods)中所述的联合国规章(UN Regulaitons)，该非爆炸性高能材料降低了对运输和后勤保障的要求。
本发明的另一目的是提供适合于该高能材料的装甲部件，且在此所述装甲具有可与SLERA相比的效能，及可与NERA相比的生存能力。
通过使用作为气体发生器的包含氧化剂和燃料的非爆炸性高能材料，借此当受到空心装药的射流冲击时激发材料，导致产生使反应装甲的装甲板加速/膨胀的大量气体，从而可以实现上述和其他目的。但是，这需要气体快速释放，即，不能超过数μ秒(微秒)，以确保瓦解/消除射流，并使射流对被保护空间的穿透最小化。
因此，本发明的一个方面是提供用于防护各种威胁的反应装甲部件，该反应装甲部件包含配备有外壳板的外壳和至少一个在板后延伸的夹层部件；所述夹层部件包含至少一对其间施加有高能材料的基本平整的板，其中所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和粘合剂一起提供了最终的非爆炸性高能材料，构成了气体发生物。
在一个实施方案中，氧化剂是选自硝酸盐/酯、亚硝酸盐/酯、铬酸盐/酯、重铬酸盐/酯、高氯酸盐、氯酸盐或其组合的氧化性试剂。氧化性试剂优选为硝酸盐/酯，最优选为硝酸钠(NaNO3)。
在另一实施方案中，催化材料是选自(元素周期表的)第4周期氧化物的过渡金属氧化物，例如铁的氧化物、锰的氧化物、锌的氧化物、钻的氧化和其他氧化物，或它们的组合。催化材料优选为铁的氧化物，最优选为Fe2O3。
在本发明的又一实施方案中，高能材料包含用作燃料的粘合剂。在一种情况中，所述粘合剂是硅酮粘合剂。高能材料可包含用于提高其反应速度的中空微球。优选地，所述微球各自具有约40μm的直径。其中，该微球可由选自玻璃、塑料材料、金属和陶瓷材料等的材料制成。
在进一步的实施方案中，高能材料为挠性和柔韧的材料片形式。优选地，它是具有均匀厚度和密度的非类型1(非爆炸性)材料。
板优选由诸如金属或陶瓷或复合材料等惰性材料制成。
在另一特定实施方案中，反应装甲部件可以是也可以不是附加装甲类型(add-on armor type)，该反应装甲部件包含布置在外壳中的多个夹层部件。外壳的壳板构成了至少一个夹层部件的前板。
在本发明的另一方面中，本发明提供了用于反应装甲的夹层部件，该夹层部件包含至少一对基本平整的板，在所述的至少一对板之间施加有非爆炸性高能材料，其中所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和粘合剂一起提供了最终的非爆炸性高能材料，构成了气体发生物。
在又一方面中，本发明提供了一种用于反应装甲的高能材料，其特征在于所述材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性高能材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和粘合剂一起提供了最终的非爆炸性高能材料，构成了气体发生物。
在又一方面中，提供了保护封闭体免受各类威胁的方法，该方法包括以下步骤：
在封闭体的外侧安装反应装甲部件，所述装甲部件包含配备有外壳板的外壳和至少一个在板后延伸的夹层部件；所述夹层部件包含至少一对基本平整的板，在所述的至少一对板之间施加有高能材料，其中所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和粘合剂一起提供了最终的非爆炸性高能材料，构成了气体发生物。
具体实施方式
为了本发明的目的，选择了一组氧化剂和一组燃料，所述氧化剂和燃料可以与适当的一种或多种催化剂和一种或多种粘合剂一起提供最终的非爆炸性高能材料以构成气体发生物。
这里所使用的术语“氧化剂”或其任何变化的措辞是指能够增大待氧化的化合物或试剂或其组合的氧含量的化学试剂。其中，根据一个具体的实施方案，非爆炸性高能材料包含选自硝酸盐/酯、亚硝酸盐/酯、铬酸盐/酯、重铬酸盐/酯、高氯酸盐或氯酸盐等的氧化剂和任何类型的含碳材料的燃料，以及也可以用作燃料的适当的粘合剂。根据一个具体实施方案，非爆炸性高能材料包含作为氧化剂的硝酸钠(NaNO3)和作为燃料的硅酮粘合剂。也可以将多种类型的氧化剂和燃料相组合，以改善反应装甲部件中高能材料的性能。
根据本发明的适合与非爆炸性高能材料一起使用的催化材料的实例是过渡金属氧化物，尤其是通常在基于氧化剂和燃料的组合的高能材料中用作催化剂的(元素周期表中的)第四周期的金属氧化物。该催化材料可以选自例如铁的氧化物、锰的氧化物、锌的氧化物、钴的氧化和其他氧化物，或它们的组合。催化材料优选为铁的氧化物，最优选为Fe2O3。
为了提高非爆炸性高能材料的反应速度，可以在配方中加入微球(即，中空球形部件)。现已认识到在中空装药的射流冲击装甲时，所述微球能够提高反应速度。
因此，按照联合国规章和美国运输部(DOT)的定义，可以认为该组合物是非爆炸性材料，即，非类型1的材料。
根据本发明的非爆炸性高能材料可以为挠性的材料片、柔韧且易于切割、冲孔等。因此，可以方便地应用到装甲部件的垫板之间。根据一个特别实施方案，该材料为橡胶状并易于折叠。
根据本发明，提供了NxRA部件，该部件具有上述类型的用于对聚能装药弹头、小型武器、榴霰弹、碎片和例如Armor Piercing Fin StabilizedDiscarded Sabot(APFSDS)的各种类型射弹提供防护的非爆炸性高能材料。
NxRA部件包含配备有外壳板的模块及至少一个位于该模块中的夹层部件。所述夹层部件包含至少一对基本平整的惰性板，在所述惰性板之间装有这里所披露的非爆炸性高能材料。
根据某些实施方案，可以具有数对例如由金属(例如钢、铝和钛)、陶瓷、复合材料和其他材料制成的惰性板，将非爆炸性高能材料施加在其间。此外，反应装甲的外壳的壳板可以构成至少一个夹层部件的前板(或顶板/底板)。
根据本发明的反应装甲可以为现有技术中已知的任何形状和尺寸，适合应用于不同的封闭体，并可为多种构造。
根据本发明的反应部件(NxRA)能够有效地防护例如RPG7的聚能装药弹头，以及例如APFSDS等各种类型的射弹、小型武器(例如14.5mm)、榴霰弹和碎片。如上所述，根据本发明的NxRA部件可以提供可与SLERA相比的效能，以及可与NERA的相比生存能力。由于NxRA像NERA一样是完全钝性的，并为所防护的封闭体及邻近的反应部件提供改善的生存能力，并且还提供了对聚能装药弹头、小型武器和射弹的优异的抗多重打击能力且消除了碎片危险因素，因此NxRA优于其他反应装甲技术。
根据本发明，提供了作为气体发生物的包含氧化剂和燃料的非爆炸性高能材料，借此当受到空心装药的射流冲击时激发材料，导致产生使反应装甲的装甲板加速/膨胀的大量气体。但是，这需要气体快速释放，即，不能超过数μ秒(微秒)，以确保瓦解/消除射流，并使射流对被保护空间的穿透最小化。
为了这个目的，选择了一组氧化剂和一组燃料，所述氧化剂和燃料可以与适当的一种或多种催化剂和一种或多种粘合剂一起提供最终的非爆炸性高能材料以构成气体发生物。
根据一个具体实施方案，其中非爆炸性高能材料包含选自包括以下各类物质的组的氧化剂：硝酸盐/酯(硝酸的盐或酯)、亚硝酸盐/酯(含亚硝酸根/基的化合物，所述化合物在性质上可以为有机也可以为无机)、铬酸盐/酯(铬酸的盐或酯)、重铬酸盐/酯(重铬酸的盐或酯)、高氯酸盐(高氯酸的盐)、氯酸盐(衍生自氯酸的盐)等，和任何类型的含碳材料的燃料，以及也可以用作燃料的粘合剂。
根据一个具体实施方案，非爆炸性高能材料包含作为氧化剂的硝酸钠(NaNO3)和作为燃料的硅酮粘合剂。也可以将多种类型的氧化剂和燃料相组合，以改善反应装甲部件中高能材料的性能。
为了提高非爆炸性高能材料的反应速度，可以在配方中加入微球(即，中空球形部件)。现已认识到在中空装药的射流冲击装甲时，所述微球能够提高反应速度。该球状部件可由例如玻璃、塑料材料、金属或陶瓷材料制成。虽然其他尺寸也是合适的，但该球的直径可以为约40μm。
根据本发明的非爆炸性高能材料可以为挠性的材料片、柔韧且易于切割、冲孔等。因此，可以方便地应用到装甲部件的垫板之间。根据一个特别实施方案，该材料为橡胶状并易于折叠。
按照联合国规章和美国运输部(DOT)的定义，该高能材料可以获得非类型1材料的资格，因此是一种非爆炸性高能材料。
非爆炸性高能材料适用于制造NxRA部件，该部件用于针对聚能装药弹头、小型武器、榴霰弹、碎片和动能射弹来保护封闭体。该反应装甲部件包含安装至封闭体并配备有外壳板的外壳，和至少一个在板后延伸的夹层部件；所述夹层部件包含至少一对其间施加有高能材料的基本平整的板。
在一个实施例中，基于重量百分比，高能材料包含：
氧化剂-最高约80％；
燃料-最高约50％；
催化剂-最高约2％；和
微球-最高约10％。
在一个特定实施例中，本发明的高能材料包含：
氧化剂-约30％～约80％(例如硝酸钠)；
燃料-约25％～约50％(例如硅酮粘合剂)；
催化剂-约0％～约2％(例如三氧化二铁)；和
微球-约0％～约10％。
可以理解，上面的描述仅作为实施例，并且可以有许多其他实施方案，所有这些均落入本发明的精神和范围之内。
Claims (29)
1.一种反应装甲部件，该部件用于对各类威胁进行防护，所述部件包含配备有外壳板的外壳，和至少一个在板后延伸的夹层部件；所述夹层部件包含至少一对其间施加有高能材料的基本平整的板，其特征在于所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性、非类型1材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和硅酮粘合剂一起提供了最终的具有均匀密度的非爆炸性高能材料，所述非爆炸性高能材料构成了气体发生物。
2.如权利要求1所述的反应装甲部件，其中所述氧化剂选自硝酸盐/酯、亚硝酸盐/酯、铬酸盐/酯、重铬酸盐/酯、高氯酸盐和氯酸盐；所述催化材料是过渡金属氧化物；且其中所述燃烧剂是粘合剂。
3.如权利要求2所述的反应装甲部件，其中所述氧化剂为硝酸钠，所述催化材料是Fe2O3。
4.如权利要求3所述的反应装甲部件，其中所述氧化剂的量不超过80％，所述催化材料的量不超过2％，且所述燃烧剂的量不超过50％。
5.如权利要求1所述的反应装甲部件，其中所述高能材料包含用于提高其反应速度的中空微球；所述中空微球具有约40μm的直径。
6.如权利要求5所述的反应装甲部件，其中所述中空微球是由选自玻璃、塑料材料、金属和陶瓷材料的材料制成。
7.如权利要求6所述的反应装甲部件，其中所述微球的量不超过10％。
8.如权利要求1所述的反应装甲部件，其中高能材料是挠性且柔韧的材料片的形式。
9.如权利要求1所述的反应装甲部件，其中所述高能材料具有均匀的厚度。
10.如权利要求1所述的反应装甲部件，其中所述板是由惰性材料制成。
11.一种用于反应装甲的夹层部件，所述夹层部件包含至少一对基本平整的板，在所述的至少一对板之间施加有高能材料，其特征在于所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性、非类型1材料，所述氧化剂和燃烧剂与催化材料和硅酮粘合剂一起提供了最终的具有均匀密度的非爆炸性高能材料，所述非爆炸性高能材料构成了气体发生物。
12.如权利要求11的夹层部件，其中所述氧化剂选自硝酸盐/酯、亚硝酸盐/酯、铬酸盐/酯、重铬酸盐/酯、高氯酸盐和氯酸盐；所述催化材料是过渡金属氧化物；且其中所述燃烧剂是粘合剂。
13.如权利要求12所述的夹层部件，其中所述氧化剂为硝酸钠，所述催化材料是Fe2O3。
14.如权利要求13所述的夹层部件，其中所述氧化剂的量不超过80％，所述催化材料的量不超过2％，且所述燃烧剂的量不超过50％。
15.如权利要求11所述的夹层部件，其中所述高能材料包含用于提高其反应速度的中空微球；所述中空微球具有约为40μm的直径。
16.如权利要求15所述的夹层部件，其中所述中空微球是由选自玻璃、塑料材料、金属和陶瓷材料的材料制成。
17.如权利要求16所述的夹层部件，其中所述微球的量不超过10％。
18.一种用于反应装甲的高能材料，其特征在于所述材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性、非类型1高能材料，所述氧化剂和燃烧剂与催化材料和硅酮粘合剂一起提供了最终的具有均匀密度的非爆炸性高能材料，所述非爆炸性高能材料构成了气体发生物。
19.如权利要求18所述的高能材料，其中所述氧化剂为硝酸钠，所述催化材料是Fe2O3。
20.如权利要求19所述的高能材料，其中所述氧化剂的量不超过80％，所述催化材料的量不超过2％，且所述燃烧剂的量不超过50％。
21.如权利要求18所述的高能材料，其中所述高能材料包含用于提高其反应速度的中空微球；所述中空微球具有约40μm的直径。
22.如权利要求21所述的高能材料，其中所述中空微球是由选自玻璃、塑料材料、金属和陶瓷材料的材料制成。
23.如权利要求22所述的高能材料，其中所述微球的量不超过10％。
24.一种保护封闭体免受各类威胁的方法，该方法包括以下步骤：
在封闭体的外侧安装反应装甲部件，所述装甲部件包含配备有外壳板的外壳和至少一个在板后延伸的夹层部件；所述夹层部件包含至少一对基本平整的板，在所述的至少一对板之间施加有高能材料，其特征在于所述高能材料是包含氧化剂和燃烧剂的非爆炸性、非类型1材料，所述氧化剂和燃烧剂与适当的催化材料和硅酮粘合剂一起提供了最终的具有均匀密度的非爆炸性高能材料，所述非爆炸性高能材料构成了气体发生物。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述氧化剂为硝酸钠，所述催化材料是Fe2O3。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述氧化剂的量不超过80％，所述催化材料的量不超过2％，且所述燃烧剂的量不超过50％。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述高能材料包含用于提高其反应速度的中空微球；所述中空微球具有约40μm的直径。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述中空微球是由选自玻璃、塑料材料、金属和陶瓷材料的材料制成。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述微球的量不超过10％。
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