CN204574947U - 仿生柔性防护装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生柔性防护装备，它包括防弹纤维布，防弹纤维口袋，缝合在所述防弹纤维口袋内的复合鳞片，所述防弹纤维口袋内的复合鳞片通过所述防弹纤维口袋逐排交错叠加的缝制在上下两层所述防弹纤维布之间，所述复合鳞片逐排交错叠加时具有一定的倾斜角度；采用上述结构，实现了可以有效抵挡高速子弹或爆炸碎片的效果。

Description

仿生柔性防护装备

技术领域

本发明涉及一种仿生柔性防护装备。

背景技术

冷战结束后，传统的大规模、高强度战场攻防作战相对减少。但是应地域争端、反恐、维和需求，持久的小规模作战无法避免。由于时间持久，士兵遭受步兵轻武器弹丸及破片袭击的风险日益增大，其危险性有时甚至要高于大规模战场军事行动，美国在伊拉克主要军事行动结束后，士兵遭受袭击导致的伤亡人数要大大高于主要战争行动期间，无疑就说明了这一点。为了保护士兵生命安全，维持部队士气与战斗力和保证行动成功，制备具有多功能的单兵弹道防护装备尤为重要。

对于单兵防弹衣，不仅需要具备防弹、防破片、防刺、防火、抗冲击得能力，还需避免防弹衣发生较大变形而导致非贯穿损伤，保证柔性也是提高士兵机动性的重要因素。目前的单兵防护装备主要可分为三类：软质防护装备，硬质防护装备以及复合防护装备。硬质防护装备主要用特种钢、铝合金等金属作防弹材料，这类防护装备尽管可以有效抵挡子弹，但着装笨重，不舒适，而且采用硬质陶瓷，将会产生大量碎片，可能产出二次伤害；软质防护装备，轻巧隐蔽，适体性好，但被子弹击中后变形大，易产生非贯穿性损伤，且对刀具的穿刺不能起到有效防护作用。第三种复合防护装备是当今各国主要研制的方向，即利用变形模量大的硬质钢板、陶瓷和软质、舒适度更好地纤维织物组合，但目前的复合防护装备多为整块防弹插板，不符合人体设计，即不便于行动作战，而且无法应用四肢防护。

发明内容

本发明在于提供一种有效抵挡高速子弹或爆炸碎片的仿生柔性防护装备。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种仿生柔性防护装备，其特征在于：它包括防弹纤维布，防弹纤维口袋，缝合在所述防弹纤维口袋内的复合鳞片，所述防弹纤维口袋内的复合鳞片通过所述防弹纤维口袋逐排交错叠加的缝制在上下两层所述防弹纤维布之间，所述复合鳞片逐排交错叠加时具有一定的倾斜角度。

优选为本发明的技术方案还可以是所述复合鳞片为内外两层结构，所述复合鳞片外层为高性能陶瓷层或轻型防弹性能合金层，所述复合鳞片内层为高性能防弹纤维层，所述复合鳞片外层和复合鳞片内层通过粘稠性较大的防弹胶粘结，所述复合鳞片的外壁上涂覆有防弹胶。

优选为本发明的技术方案还可以是所述复合鳞片为双向拱起的圆饼，复合鳞片外层与复合鳞片内层厚度比为3：2，所述复合鳞片圆饼的直径为50-52 mm，中间厚度为6.2-6.6 mm，两侧厚度为3.3-3.5 mm，复合鳞片外层中所述高性能陶瓷层为碳化硅(SiC)层或者碳化硼(B₄C)层，所述轻型防弹性能合金层为钛合金层，复合鳞片内层中所述高性能防弹纤维层为设置在最内层的高分子量聚乙烯无纺布和设置在所述高分子量聚乙烯无纺布外层的凯夫拉纤维织物，所述高分子量聚乙烯无纺布的厚度为4 mm，所述高分子量聚乙烯无纺布与凯夫拉纤维织物的厚度为5 mm。

优选为本发明的技术方案还可以是每个所述复合鳞片与周边六个复合鳞片交错叠加，六个所述复合鳞片覆盖中心位置的复合鳞片的覆盖率为0.34％，所述复合鳞片相互叠加时的倾斜角度为15˚。

本发明的有益效果是该仿生柔性防护装备，它包括防弹纤维布，防弹纤维口袋，缝合在所述防弹纤维口袋内的复合鳞片，所述防弹纤维口袋内的复合鳞片通过所述防弹纤维口袋逐排交错叠加的缝制在上下两层所述防弹纤维布之间，所述复合鳞片逐排交错叠加时具有一定的倾斜角度；采用尺寸相同的复合鳞片进行叠加设计，复合鳞片根据防护等级设计为两层或三层，外面一层（或两层）采用硬度高的高性能防弹陶瓷或轻型防弹合金，最里层则采用柔性高性能防弹纤维布(织物)，复合鳞片内外层用粘稠性较大的防弹胶进行粘结，复合鳞片侧面也涂有一层防弹胶，以防止陶瓷破裂后产生分散的碎片，然后将复合鳞片缝合在防弹纤维口袋中，并按鱼鳞覆盖方式逐排交错叠加，最后将其缝制到上下两层防弹纤维布（织物）之间，保证复合鳞片之间力的有效传递；由于防弹纤维布（织物）具有很好的变形能力，同时复合鳞片之间可以局部移动，保证整个防护装备可以灵活变形。另外复合鳞片具有一定厚度，因此复合鳞片相互叠加时，复合鳞片会有一定倾斜，当子弹打到倾斜的复合鳞片上，将发生偏转；这样，本发明与现有防护装备相比，不仅克服传统刚性防护装备的笨重和柔性防护装备变形大、不耐切割等缺点，而且创新性地改变了传统防护装备中防弹片的单一结构。借鉴自然界鱼鳞片的多级耗能机理，采用了更为有效的分层结构，即外层为硬质陶瓷，内层为轻质防弹纤维布（织物），再以复合鳞片式的周期排列叠加、缝合在上下两层防弹纤维布（织物）中。该设计不仅兼具轻质、适体、耐切割、变形小、无二次碎片伤害的优点，而且复合鳞片状防弹片的叠加方式给予了更大的灵活性、更多样化的组合覆盖形式，保证了良好的变形协调和灵活性。同时，复合鳞片状防弹片呈一定角度倾斜，可有效减小弹体的正面冲击，复合鳞片的相互叠错也可使冲击能量传递到相邻复合鳞片，从而减小由于应力集中造成的冲击破坏；从而实现了可以有效抵挡高速子弹或爆炸碎片的效果。

附图说明

图1防护装备整体结构示意图

图2单个复合鳞片结构示意图

图3复合鳞片叠加覆盖图；

图4复合鳞片叠加侧面图；

图1-4中1-防弹纤维布，2-复合鳞片，3-复合鳞片外层，4-复合鳞片内层，5-子弹模型，6-复合鳞片覆盖角Ø_１，7-复合鳞片倾斜角Ø_２。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

实施例 1 ：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

根据图1-4所示，本发明涉及一种仿生柔性防护装备，它包括防弹纤维布1，防弹纤维口袋，缝合在所述防弹纤维口袋内的复合鳞片2，所述防弹纤维口袋内的复合鳞片2通过所述防弹纤维口袋逐排交错叠加的缝制在上下两层所述防弹纤维布1之间，所述复合鳞片2逐排交错叠加时具有一定的倾斜角度Ø_２７；所述复合鳞片２为双向拱起的圆饼，复合鳞片外层３与复合鳞片内层４厚度比为3：2，所述复合鳞片圆饼的直径为50-52 mm，中间厚度为6.2-6.6 mm，两侧厚度为3.3-3.5 mm，复合鳞片外层３中所述高性能陶瓷层为碳化硅(SiC)层或者碳化硼(B₄C)层，所述轻型防弹性能合金层为钛合金层，复合鳞片内层４中所述高性能防弹纤维层为设置在最内层的高分子量聚乙烯无纺布和设置在所述高分子量聚乙烯无纺布外层的凯夫拉纤维织物，所述高分子量聚乙烯无纺布的厚度为4 mm，所述高分子量聚乙烯无纺布与凯夫拉纤维织物的厚度为5 mm；每个所述复合鳞片与周边六个复合鳞片交错叠加，六个所述复合鳞片覆盖中心位置的复合鳞片的覆盖率为0.34％，所述复合鳞片相互叠加时的倾斜角度Ø_２为15˚；具体地说：本发明提供的防护體系由两部分组成，复合鳞片，鳞片覆盖；复合鳞片采用硬质材料和软质材料按一定厚度比进行设计；对于复合鳞片内外层材料根据防护等级来进行选择；复合鳞片设计为两层，复合鳞片外层与复合鳞片内层厚度比为3：2；为了减少相邻复合鳞片叠加之后产生的缝隙，外层采用双向拱起、硬度高的高性能陶瓷（碳化硅，氧化铝，碳化硼）圆饼，以碳化硅为例，复合鳞片圆饼的直径为50-52 mm，中间厚度为6.2-6.6 mm，两侧厚度为3.3-3.5 mm，优选为复合鳞片圆饼直径为51 mm，中间厚度为6.4 mm，两侧厚度为3.4 mm。内层则采用柔性防弹纤维布（织物），可以采用美国杜邦凯夫拉（Kevlar）纤维，荷兰DSM出售的DYNEEMA，日本Roobo出售的ZYLON或国产的超高分子量聚乙烯无纺布。按照内外层厚度比，要达到美国NIJ III级防弹标准，内层采用超高分子量聚乙烯无纺布厚度应为4 mm，但由于外层陶瓷复合鳞片只有中间厚度为6.4 mm,边上厚度却为3.4mm, 因此内层纤维厚度约为5 mm，采用其他纤维需要根据实际情况增加或减少其厚度。达到美国NIJ III级防弹标准，一般来说，外层采用烧结成型的防弹陶瓷，价格比相同防弹等级金属合金价格实惠，而且重量比钛合金轻。内层的制备方法，通常将纤维布（织物）裁成51.2 mm 圆形状，然后采用热压成型制备厚度为 5 mm 的圆饼。纤维布（织物）之间不使用任何的粘合剂，以防止织物硬化，影响其弯曲变形。复合鳞片内层和复合外层之间，以及复合鳞片侧面则使用粘结性强的防弹胶。这种复合鳞片外层的硬质脆性陶瓷使得子弹钝化，消耗大部分能量，内层软质防弹织物具有高强度和高模量，能够产生较大变形，也起到消散能量，防止陶瓷碎片飞出的作用。

复合鳞片状防弹片采用碳化硅陶瓷和超高分子量聚乙烯无纺布的组合设计，与采用单一碳化硅陶瓷的防弹片相比，在满足相同防护等级（NIJ-III）条件下面密度可以减少12%。为了保证复合鳞片之间有效覆盖并且能够局部移动，将复合鳞片缝合到防弹布制成的小口袋中，按照一定的覆盖方式（如图 3）将复合鳞片缝在上下两层防弹织物中，从而制备完整的防护装备，复合鳞片叠加侧面图如图4所示。每个复合鳞片与周边六个复合鳞片作用，为了减少复合鳞片之间缝隙，任意一个复合鳞片从圆心与被覆盖的复合鳞片交点的夹角为复合鳞片覆盖角Ø_１６，六个复合鳞片覆盖中心位置的复合鳞片的覆盖率为0.34％。复合鳞片之间相互叠加覆盖，在上下两层防弹织物连接下，使子弹的冲击力迅速扩散到多个相邻的鳞片。另外，鳞片具有一定厚度，相互叠加时，会有一定倾斜角度为15˚，而且鳞片表面按一定弧度设计的，当子弹５打到倾斜的复合鳞片上，将发生偏转，子弹５几乎不可能垂直冲击复合鳞片。因此该仿生防护装备的设计取决于单个鳞片尺寸、外层与内层厚度比、覆盖模式以及倾斜角度，可根据实际防护等级和材料选择进行灵活设计。

与其他防护装备的设计相比较，本专利中的防护装备只有复合鳞片制备采用粘合剂，复合鳞片包裹以及与衬底织物之间均采用缝合方式，可以避免粘合剂凝固影响织物的柔度和透气性，保证装备的整体舒适度。基于上述构思的本发明—一种仿生柔性防护装备，通过借鉴鱼鳞片的分层结构和覆盖模式进行仿生设计，既保留了目前防弹衣有效防弹，防刺，防碎片等优势，又具有良好的柔性，可以根据不同人体体形进行设计制备，并可以应用于四肢，颈部的防护。

从自然界鱼类单个鳞片多级结构设计和多鳞片覆盖排列方式得到启发，提出一种新型仿生轻型复合防护装备，克服了传统硬质防护装备厚重、行动不灵活、易产生二次碎片和软质防护装备的变形大、不耐切割的缺陷，而且有效保证了两种刚度差异较大材料的变形协调性能。我们将使用目前高性能材料，基于鱼鳞宏、微观结构的机理，给出一种鱼鳞覆瓦盖状防护装备设计方案。该仿生防弹衣在保证不被穿透情况下，还将具有柔韧性和变形小的特征，保证士兵机动性和避免发生非贯穿损伤。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种仿生柔性防护装备，其特征在于：它包括防弹纤维布，防弹纤维口袋，缝合在所述防弹纤维口袋内的复合鳞片，所述防弹纤维口袋内的复合鳞片通过所述防弹纤维口袋逐排交错叠加的缝制在上下两层所述防弹纤维布之间，所述复合鳞片逐排交错叠加时具有一定的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性防护装备，其特征在于：所述复合鳞片为内外两层结构，所述复合鳞片外层为高性能陶瓷层或轻型防弹性能合金层，所述复合鳞片内层为高性能防弹纤维层，所述复合鳞片外层和复合鳞片内层通过粘稠性较大的防弹胶粘结，所述复合鳞片的外壁上涂覆有防弹胶。

3. 根据权利要求2所述的仿生柔性防护装备，其特征在于：所述复合鳞片为双向拱起的圆饼，复合鳞片外层与复合鳞片内层厚度比为3：2，所述复合鳞片圆饼的直径为50-52 mm，中间厚度为6.2-6.6 mm，两侧厚度为3.3-3.5 mm，复合鳞片外层中所述高性能陶瓷层为碳化硅(SiC)层或者碳化硼(B₄C)层，所述轻型防弹性能合金层为钛合金层，复合鳞片内层中所述高性能防弹纤维层为设置在最内层的高分子量聚乙烯无纺布和设置在所述高分子量聚乙烯无纺布外层的凯夫拉纤维织物，所述高分子量聚乙烯无纺布的厚度为4 mm，所述高分子量聚乙烯无纺布与凯夫拉纤维织物的厚度为5 mm。

4.根据权利要求1-3任一所述的仿生柔性防护装备，其特征在于：每个复合鳞片与周边六个复合鳞片交错叠加，六个所述复合鳞片覆盖中心位置的复合鳞片的覆盖率为0.34％，所述复合鳞片相互叠加时的倾斜角度为15˚。