CN205090879U - 一种复合结构防弹防暴板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合结构防弹防暴板，包括依次叠加结合的碳纤维表面刚性层、陶瓷复合片组合层、有机纤维防弹防暴层和金属背板，其中，碳纤维表面刚性层包括改性热固性树脂基体和碳纤维织物增强体，改性热固性树脂中填充有短切碳纤维填料；陶瓷复合片组合层包括若干层陶瓷复合片层，有机纤维防弹防暴层由有机纤维UD材料制备而成，金属背板与有机纤维防弹防暴层的接触面加工用于与有机纤维防弹防暴层进行机械啮合的毛刺结构。背弹面特种金属防背凸层可有效降低弹丸侵彻后的背凸高度；中间的陶瓷复合材料组合层可有效抵抗弹丸的侵彻并保证弹丸头部的最大程度变形。

Description

一种复合结构防弹防暴板

技术领域

本实用新型具体涉及一种复合结构防弹防暴板。

背景技术

虽然世界范围的大规模战争出现的几率不大，但是局部战争和国际范围的恐怖活动以及国家内部暴乱等小型冲突仍然层出不穷，在这种小规模暴乱或冲突的处理过程中，无论是部队还是警察所用的运输武器装备或士兵警员的装甲车辆的防护特性尤为重要。而从二十世纪六十年代到七十年代之间，随着世界和平的发展，各国逐渐对装甲车辆的防暴特性有所忽视，而这种趋势带来了严重的后果，特别是随着装甲车辆使用规模的减少和装甲编队中坦克数量的减少，装甲车辆成本材质降低、装甲厚度减少使得车辆很容易遭到地雷的袭击，所以地雷又成为恐怖分子或叛乱分子以及地方反动武装对付装甲车辆的首选武器。根据统计，在越南战争中美军损毁的装甲车辆中有69％是由地雷造成的，但是美军并没有对这种情况做出较大改进，而只是在M113装甲输送车和M551轻质坦克的铝合金装甲车体下加装了钢板。

这种忽视也不是没有原因的，主要是目前能够兼顾防弹和防暴特性的装甲材料主要仍然以特种钢质板材为主，金属材料的密度较大、重量重带来了车辆机动性严重不足，这也是装甲材料迟迟没有得到提升的重要原因。随着新型有机纤维材料的发展，高强度、高韧性的特种纤维形成的复合材料具备了金属材料所不具备的强度，同时特种陶瓷又有超越金属的超强压缩强度特性，再者随着无机纤维复合材料的发展，尤其是碳纤维复合材料在军工领域的广泛应用，复合材料也被赋予了前所未有的超高刚度特点。有机纤维复合材料、无机纤维复合材料和陶瓷复合材料的组合应用，使得先进防护材料具备了几种单一材质材料的综合特性，也成为取代特种钢质板材的特种防弹防暴材料的主要研究重点，组合多种复合材料的另一个重要的特点就是他们的综合密度均要低于金属材质，这也是提升装甲车辆防护材料轻质特性和机动性的主要方式。然而，目前多种材质复合的防弹防暴板的制备技术仍不成熟，特别是材质之间的界面强度较为薄弱，在地雷近距离破片袭击车辆底盘时，巨大的爆炸破坏力不可避免带来了多相材质之间的界面脱粘分层，严重影响了防护特性的发挥；同时目前使用的特种防弹复合材料均以聚乙烯纤维复合材料或芳纶纤维复合材料为主，这种材料的高温蠕变性和耐候性均有缺陷，因此材料在复杂环境下的使用寿命和力学刚度均面临着严重威胁。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种复合结构防弹防暴板，该复合结构防弹防暴板具有轻质、低背凸、高低温结构稳定以及使用寿命较长的优势。

为了解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种复合结构防弹防暴板，包括依次叠加结合的碳纤维表面刚性层、陶瓷复合片组合层、有机纤维防弹防暴层和金属背板，其中，碳纤维表面刚性层包括改性热固性树脂基体和碳纤维织物增强体，改性热固性树脂中填充有短切碳纤维填料；陶瓷复合片组合层包括若干层陶瓷复合片层，有机纤维防弹防暴层由有机纤维UD材料制备而成。

高刚度特性的碳纤维表面刚性层、可有效抵抗弹丸的侵彻并保证弹丸头部的最大程度变形的陶瓷复合材料组合层、具有防破片特性的有机纤维防弹防暴层以及防背凸作用的背板协同作用，使本实用新型的防弹防暴板具有轻质、低背凸以及使用寿命长的优点。

优选的，所述每层陶瓷复合片层均包括陶瓷纤维织物增强纤维和陶瓷基体。陶瓷复合片层之间采用微孔缝编技术使多片形成一个整体，利用陶瓷单片加工过程中预留的微孔，在多片陶瓷材质之间采用高强度、高韧性纤维进行缝编组合，有效提高了陶瓷复合片组合层的强度和高压缩强度。

进一步优选的，陶瓷复合片组合层与有机纤维防弹防暴层之间设置有用于将两者结合的铆接结构。

进一步优选的，每层陶瓷复合片层上均预留微孔，相邻陶瓷复合片层之间通过预留的微孔缝编在一起，用于缝编的纤维为碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维中的一种或多种。

进一步优选的，所述陶瓷纤维织物中的增强纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维或碳化硼纤维中的一种或多种，所述陶瓷基体的材质为碳化硅、氧化铝、氮化硼或碳化硼。

优选的，陶瓷复合片组合层与有机纤维防弹防暴层之间粘结而成，陶瓷复合片组合层和有机纤维防弹防暴层的表面均粗糙化处理。粗糙化处理的目的是保证界面上有足够的含胶量。

优选的，所述金属背板为钢质背板，钢质背板由锰钢或硬度为480～520HB的装甲钢制备而成。钢板材质的背板可根据装甲车辆的外型要求设计成平板、弧面板等异形形状，容易加工定型。

进一步优选的，所述金属背板的厚度为2-20mm，并且在金属背板与有机纤维防弹防暴层接触的表面上加工用于与有机纤维防弹防暴层进行机械啮合的毛刺结构。

更进一步优选的，金属背板的表面粗糙化处理，金属背板与有机纤维防弹防暴层之间涂有用于将金属背板与有机纤维防弹防暴层结合的粘合剂层。金属背板的表面粗糙化处理和背板上的毛刺结构均可以提高金属背板与有机纤维复合材料材质的界面结合的牢固性。

进一步优选的，有机纤维防弹防暴层的厚度为5-20mm。

优选的，所述改性热固性树脂为热固性树脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂或橡胶弹性体。

一种复合结构防弹防暴板的制备方法，包括如下步骤：

1)金属背板的预处理

将金属板材的一个表面进行粗糙化处理，并且在金属板材粗糙化处理的表面加工毛刺结构，将处理后的金属板材加工到设定形状，制得金属背板；

2)在步骤1)中制得的金属背板的加工毛刺结构的表面涂覆胶黏剂，将有机纤维防弹防暴层以热冲压的方式固定在金属背板上，有机纤维防弹防暴层上预留用于和金属背板的毛刺结构进行机械啮合的孔；

3)陶瓷复合片组合层的制备

制备陶瓷复合片层，在每层陶瓷复合片层上预留用于缝编的微孔，微孔直径在0.2-0.8mm；用于陶瓷复合片层与复合材料层的缝编结合。

4)将多层陶瓷复合片层进行缝编得到陶瓷复合片组合层；通过陶瓷复合片组合层和有机纤维防弹防暴层上的预留微孔，将增加纤维进行纵向穿刺铆接；

5)碳纤维表面刚性层的制备

首先在陶瓷复合片组合层表面铺设设定厚度的碳纤维二维织物，然后将添加了短切碳纤维填料的改性热固性树脂真空导入碳纤维二维织物，固化，即得。

优选的，步骤2)中，将有机纤维防弹防暴层与金属背板固定的表面镂空处理。钢板表面的毛刺结构完全预埋入UD叠层材料内部形成勾嵌整体，大大提高了两层结构之间的结合强度。

优选的，步骤2)中，热冲压处理的具体步骤为，首先将金属背板和有机纤维防弹防暴层同时预热，预热的时间为5-20min，预热温度为70-90℃；预热完成后，将金属背板冲压至有机纤维防弹防暴层的表面，热冲压压强为5-25MPa，热冲压时间为5-20min；冲压完成后，将工件在5-10min内冷却到70℃以下。

采用快速热冲压有利于降低装甲板材的背凸，提高其防弹防暴性能，并且提高了生产效率。

步骤3)中，陶瓷复合片层的制备方法为：采用高强度特种陶瓷纤维与相应特种陶瓷基体复合后高温烧结制备陶瓷复合片层。

优选的，步骤4)中，将制得的陶瓷复合片组合层的相邻陶瓷复合片层之间涂覆胶黏剂，将陶瓷复合片组合层形成整体机构。

优选的，步骤4)中，将陶瓷复合片组合层于有机纤维防弹防暴层之间涂覆胶黏剂。通过胶接方式贴敷于有机纤维防弹防暴层表面，有效增强两者之间的结合强度。

优选的，步骤5)中，真空导入的真空度为-0.8～-0.2MPa，固化的温度为40-80℃，固化的时间为2-5h。

优选的，步骤5)中，所述短切碳纤维填料占热固性树脂含量的5-25％。

优选的，步骤5)中，碳纤维二维织物的叠层形式为平纹、斜纹、缎纹等一种或多种。

上述复合结构防弹防暴板在制备装甲板中的应用。

首先根据装甲车辆外部形状设计钢质背板的基础曲面外型或平板外型；之后在特种钢质金属背板的表面通过新型快速热冲压技术制备具有一定预紧力的有机纤维复合材料防弹防暴层；再之后在有机纤维复合材料层外表面通过微孔缝编技术组合陶瓷复合材料片层；最后在陶瓷复合材料片层表面采用真空导入技术制备表面碳纤维复合材料刚性层，最终形成具有“碳纤刚性层/陶瓷复合片层/有机纤维复合层/金属防背凸层”的四层组合式防弹防暴板结构，作为军用或警用轻质防弹防暴装甲车的基本防护板材。

本实用新型基于多材质组合结构思路，在传统特种钢质板材的基础上引入了特种纤维复合材料材质和陶瓷复合材料片材，将三者进行合理匹配组合，同时在板材表面制备了多层碳纤维复合材料包覆结构，这种由表及里的“碳纤维复合材料→陶瓷复合片层→有机纤维复合防弹层→特种钢质刚性层”的组合式结构，发挥了传统陶瓷、有机无机纤维复合材料和金属材质的固有特性，同时通过碳纤维复合材料的组合极大的提高了防弹防暴装甲板的刚度和耐候性。这种组合式装甲板的出现为军用或警用装甲车辆的防护性能提升具有重要意义。

本实用新型的有益效果是：

(1)采用多材质组合形成整体复合结构的防弹防暴装甲板，其中，表面碳纤维刚性层可有效保证防弹胸插板在复杂高低温环境下的刚度和整体强度，维持其防弹防暴特性稳定；此外背弹面特种金属防背凸层可有效降低弹丸侵彻后的背凸高度；中间的陶瓷复合材料组合层可有效抵抗弹丸的侵彻并保证弹丸头部的最大程度变形；主体有机纤维防弹防暴层可保证弹丸的侵彻防护特性，同时极大减轻了整体插板的重量，保证单兵作战的灵活性，同时又可避免弹丸二次反弹的问题。

(2)金属背板与有机纤维防弹防暴层之间采用毛刺铆接与复合胶黏剂粘结的结合方式、陶瓷复合材料组合层与有机纤维防弹防暴层之间通过陶瓷复合材料片层表面的预留微孔，采用增强纤维纵向穿刺铆接结构，形成陶瓷复合材料片层与主体防弹纤维层的整体结合，实现界面刚度与韧性有效结合。

(3)陶瓷复合材料片组合层中的单片采用纤维增强陶瓷式复合结构，摒弃了传统粉体烧结工艺制备的陶瓷防弹片的碎裂问题，通过纤维织物增强，保证了单片陶瓷的强度、刚度和韧性，同时可根据外型结构进行灵活设计。陶瓷复合材料层的组合采用微孔缝编结构，这将有效避免了传统陶瓷片接缝处防弹防暴特性薄弱的问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

其中，1、碳纤维表面刚性层，2、陶瓷复合材料组合层，3、有机纤维防弹防暴层，4、铆接结构，5、毛刺，6、金属背板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种复合结构防弹防暴板，包括依次叠加结合的碳纤维表面刚性层1、陶瓷复合材料组合层2、有机纤维防弹防暴层3和金属背板4。

实施例1

所述金属背板6采用锰钢制备防背凸层，钢材的厚度为5mm，特种钢材外型为平板。金属板材的表面进行粗糙化处理，同时在特种金属表面加工适度的毛刺结构以备与预紧有机纤维防弹防暴材料的界面机械啮合处理。

以上述特种钢板材(即金属背板6)为基底，将其安装的压机压头表面，将有机纤维复合材料UD(即有机纤维防弹防暴层3)叠层后置于压机平台中部，有机纤维防弹防暴层3的底部镂空处理，之后升温至90℃，之后采用25MPa的压力将上述金属背板6在预热的状态下加压至悬空UD叠层材料表面，以至达到钢板表面的毛刺结构完全预埋入UD叠层材料内部形成勾嵌整体。在热冲压工艺之前，需要将金属背板6的表面涂覆特种胶黏剂。

陶瓷复合材料组合层2由多层陶瓷复合片层叠加而成，陶瓷复合片层采用陶瓷纤维织物增强陶瓷基体制备，所用的陶瓷纤维织物中的增强纤维选用碳化硅纤维；选用碳化硅作为陶瓷基体材质。在上述金属防背凸层与特种纤维复合防弹防暴层的结合基础上，在纤维复合防弹防暴层表面预留微孔，将陶瓷复合片层之间采用T700碳纤维缝编，缝编后采用胶接方式将陶瓷小片形成整体，通过缝编方式将陶瓷复合片层贴敷于有机纤维防弹防暴层3的表面。

采用T700碳纤维制备碳纤维表面刚性层1，首先在陶瓷复合材料组合层2表面铺缝厚度为2mm的碳纤维二维织物，之后采用添加了短切碳纤维填料的热固性树脂进行真空导入工艺，真空度-0.8MPa，真空导入后在80℃进行固化，固化时间3h。在陶瓷复合片层表面加工热固性树脂基长(短)丝兼备的碳纤维复合材料刚性层，形成具有“碳纤刚性层/陶瓷复合片层/有机纤维复合层/金属防背凸层”四层组合式防弹防暴装甲结构，可有效配备防暴A级的装甲车辆。

实施例2

金属背板6采用520HB硬度装甲钢制备防背凸层，钢材的厚度为6mm，特种钢材外型为弧面板，曲率半径为400mm。金属背板6的表面进行粗糙化处理，同时在特种金属表面加工适度的毛刺结构以备与预紧有机纤维防弹防暴层3的界面机械啮合处理。

以上述520HB硬度装甲钢板材制备的金属背板6为基底，将其安装的压机压头表面，将有机纤维复合材料UD(即有机纤维防弹防暴层3)叠层后置于压机平台中部，(即有机纤维防弹防暴层3)的底部镂空处理，之后升温至90℃，之后采用20MPa的压力将上述钢板材基底在预热的状态下加压至悬空UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)表面，以至达到钢板表面的毛刺结构完全预埋入UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)内部形成勾嵌整体。在热冲压工艺之前，需要将特种钢板表面涂覆特种胶黏剂，以使粘结牢固。

陶瓷复合材料组合层2由多层陶瓷复合片层叠加而成，陶瓷复合片层采用陶瓷纤维织物增强陶瓷基体制备，所用的陶瓷纤维织物中的增强纤维选用氮化硼纤维；选用氮化硼作为陶瓷基体材质。在上述金属防背凸层与特种纤维复合防弹防暴层的结合基础上，在多层陶瓷复合片层表面预留微孔，将多层陶瓷复合片层之间采用T300碳纤维缝编，缝编后采用胶接方式将陶瓷小片形成整体，通过胶接方式贴敷于有机纤维防弹防暴层3表面。

采用T300碳纤维制备碳纤维表面刚性层1，首先在陶瓷复合片层表面铺缝厚度为2mm的碳纤维二维织物，之后采用添加了短切碳纤维填料的热固性树脂进行真空导入工艺，真空度-0.6MPa，真空导入后在80℃进行固化，固化时间2h。在陶瓷复合片层表面加工热固性树脂基长(短)丝兼备的碳纤维复合材料刚性层，形成具有“碳纤刚性层/陶瓷复合片层/有机纤维复合层/金属防背凸层”四层组合式防弹防暴装甲结构，可有效配备防暴A级的装甲车辆。

实施例3

金属背板6采用520HB硬度装甲钢制备防背凸层，钢材的厚度为8mm，特种钢材外型为弧面板，曲率半径为390mm。金属背板6的表面进行粗糙化处理，同时在特种金属表面加工适度的毛刺结构以备与预紧有机纤维防弹防暴层3的界面机械啮合处理。

以上述520HB硬度装甲钢板材为基底，将其安装的压机压头表面，将有机纤维复合材料UD(有机纤维防弹防暴层3)叠层后置于压机平台中部，UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)的底部镂空处理，之后升温至90℃，之后采用25MPa的压力将上述钢板材基底在预热的状态下加压至悬空UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)表面，以至达到钢板表面的毛刺结构完全预埋入UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)内部形成勾嵌整体。在热冲压工艺之前，需要将特种钢板表面涂覆特种胶黏剂。

陶瓷复合材料组合层2由多层陶瓷复合片层叠加而成，陶瓷复合片层采用陶瓷纤维织物增强陶瓷基体制备，所用的陶瓷纤维织物中的增强纤维选用氧化铝纤维；选用氧化铝作为陶瓷基体材质。在上述金属防背凸层与特种纤维复合防弹防暴层的结合基础上，在陶瓷复合片层表面预留微孔，将陶瓷复合片层之间采用T800碳纤维缝编，缝编后采用胶接方式将陶瓷小片形成整体，通过胶接方式贴敷于纤维复合材料防弹层表面。

采用T800碳纤维制备碳纤维表面刚性层1，首先在陶瓷复合片层表面铺缝厚度为3mm的碳纤维二维织物，之后采用添加了短切碳纤维填料的热固性树脂进行真空导入工艺，真空度-0.8MPa，真空导入后在75℃进行固化，固化时间2.5h。在陶瓷复合片层表面加工热固性树脂基长(短)丝兼备的碳纤维复合材料刚性层，形成具有“碳纤刚性层/陶瓷复合片层/有机纤维复合层/金属防背凸层”四层组合式防弹防暴装甲结构，可有效配备防暴B级的装甲车辆。

实施例4

金属背板6采用520HB硬度装甲钢制备防背凸层，钢材的厚度为6mm，特种钢材外型为平板。金属背板6的表面进行粗糙化处理，同时在金属背板6表面加工适度的毛刺结构以备与预紧有机纤维防弹防暴层3的界面机械啮合处理。

以上述520HB硬度装甲钢板材制备的金属背板6为基底，将其安装的压机压头表面，将有机纤维复合材料UD(有机纤维防弹防暴层3)叠层后置于压机平台中部，UD叠层材料(有机纤维防弹防暴层3)的底部镂空处理，之后升温至75℃，之后采用25MPa的压力将上述钢板材基底在预热的状态下加压至悬空UD叠层材料表面，以至达到钢板表面的毛刺结构完全预埋入UD叠层材料内部形成勾嵌整体。在热冲压工艺之前，需要将特种钢板表面涂覆特种胶黏剂。

陶瓷复合材料组合层2由多层陶瓷复合片层叠加而成，陶瓷复合片层采用陶瓷纤维织物增强陶瓷基体制备，所用的陶瓷纤维织物中的增强纤维选用碳化硼纤维；选用碳化硼作为陶瓷基体材质。在上述金属防背凸层与特种纤维复合防弹防暴层的结合基础上，在纤维复合防弹防暴层表面预留微孔，将陶瓷复合片层之间采用T800碳纤维缝编，缝编后采用胶接方式将陶瓷小片形成整体，通过胶接方式贴敷于有机纤维防弹防暴层3表面。

采用T800碳纤维制备碳纤维表面刚性层1，首先在陶瓷复合片层表面铺缝厚度为5mm的碳纤维二维织物，之后采用添加了短切碳纤维填料的热固性树脂进行真空导入工艺，真空度-0.8MPa，真空导入后在72℃进行固化，固化时间3h。在陶瓷复合片层表面加工热固性树脂基长(短)丝兼备的碳纤维复合材料刚性层，形成具有“碳纤刚性层/陶瓷复合片层/有机纤维复合层/金属防背凸层”四层组合式防弹防暴装甲结构，可有效配备防暴C级的装甲车辆。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种复合结构防弹防暴板，其特征在于：包括依次叠加结合的碳纤维表面刚性层、陶瓷复合片组合层、有机纤维防弹防暴层和金属背板，其中，碳纤维表面刚性层包括改性热固性树脂基体和碳纤维织物增强体，改性热固性树脂中填充有短切碳纤维填料；陶瓷复合片组合层包括若干层陶瓷复合片层，有机纤维防弹防暴层由有机纤维UD材料制备而成。

2.根据权利要求1所述的防弹防暴板，其特征在于：所述金属背板的厚度为2-20mm，并且在金属背板与有机纤维防弹防暴层接触的表面上加工用于与有机纤维防弹防暴层进行机械啮合的毛刺结构。

3.根据权利要求1所述的防弹防暴板，其特征在于：金属背板的表面粗糙化处理，金属背板与有机纤维防弹防暴层之间涂有用于将金属背板与有机纤维防弹防暴层结合的粘合剂层。

4.根据权利要求2所述的防弹防暴板，其特征在于：每层陶瓷复合片层均包括陶瓷纤维织物增强纤维和陶瓷基体；所述陶瓷纤维织物中的增强纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维或碳化硼纤维中的一种或多种，所述陶瓷基体的材质为碳化硅、氧化铝、氮化硼或碳化硼。

5.根据权利要求1所述的防弹防暴板，其特征在于：每层陶瓷复合片层上均预留微孔，相邻陶瓷复合片层之间通过预留的微孔缝编在一起，用于缝编的纤维为碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的防弹防暴板，其特征在于：复合片组合层与有机纤维防弹防暴层上之间设置有用于将两者结合的铆接结构。