CN212721107U - 一种复合结构陶瓷 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种复合结构陶瓷，包括陶瓷基底(1)和填充层(3)，在陶瓷基底(1)顶面角点预置凸台(2)，根据来袭弹药弹丸直径，设计凸台大小，实现对来袭弹药的精准防护，消除陶瓷角点处防护性能差的缺陷，填充层(3)采用树脂或纤维增强树脂基复合材料制备而成，通过陶瓷基底(1)和填充层(3)的有效一体化设计，实现了“硬‑软”抗弹材料的有效结合。该复合结构陶瓷重量轻、抗弹性能优异，适用于各种陶瓷复合装甲，相对于传统复合装甲，该复合结构陶瓷既可显著减轻重量又可有效提升武器装备的防护性能，尤其是抗弹陶瓷角点处的抗弹性能。

Description

一种复合结构陶瓷

技术领域

本实用新型属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种复合结构陶瓷。

背景技术

传统陶瓷复合装甲主要由紧密排列的抗弹陶瓷材料和抗弹复合材料构成，其中抗弹陶瓷外形多为正方形和正六边形，利用抗弹陶瓷的高硬度，根据来袭弹丸的大小，形成不同尺寸的断裂锥，实现对来袭弹丸的有效破碎，利用抗弹陶瓷的低密度实现复合装甲的轻量化。

大量陶瓷通过拼接结构，实现陶瓷复合装甲的制备。弹着点位置不同，抗弹陶瓷的防护性能具有很大差异，其中陶瓷中心部分抗弹性能最好，三块或四块陶瓷的角点位置防护性能最差，成为防护的最薄弱点。

近年来，有关陶瓷复合装甲用抗弹陶瓷的研究较为活跃。

专利CN 109059657A介绍了一种装甲防护的抗弹陶瓷，该抗弹陶瓷外形呈六边形，其中一个表面为平面，另一个表面中心设置有圆形凹槽，圆形凹槽底部与侧面通过弧面过渡连接，实现了装甲轻量化及防护薄弱区增强，改变了弹丸的弹道，达到了致偏效果，提高了防护能力。

专利US2010007153A1介绍了一种用于插入复合装甲元件的有效体元件，该元件为圆柱体陶瓷结构，可对弹丸有效致偏，形成高防护性能的陶瓷复合装甲。

WO/2007/055736公开了一种抗弹陶瓷装甲，该抗弹陶瓷装甲的主体抗弹结构是一层抗弹陶瓷，在陶瓷块间引入了空气间隙，以减缓冲击波在相邻陶瓷单元间的传递，提升了相邻陶瓷的抗弹性能。

以上专利通过在陶瓷表面增加凹槽，或采用圆柱体抗弹陶瓷，实现对来袭弹丸的有效致偏，有效提升整块陶瓷的防弹性能。但多块陶瓷拼接构成的角点位置仍是抗弹陶瓷的薄弱点。

通过在陶瓷块间预留间隙，采用增强材料对陶瓷周边进行包缠约束，或是在陶瓷拼缝处增加金属孔壁等材料，增加陶瓷拼缝处的防护性能，成型工艺复杂，增加了陶瓷复合板的整体重量及制造成本。

可有效提升抗弹陶瓷角点处的抗弹性能，将抗弹陶瓷与复合材料形成独立的抗弹单元，降低陶瓷复合装甲的整体重量，提升陶瓷复合装甲整体防护性能的相关技术研究尚未见报道。

发明内容

根据现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种复合结构陶瓷，该陶瓷具有较强的可设计性、成型工艺简单、制造成本低，解决了传统抗弹陶瓷拼接角点防护能力差的问题；将多块陶瓷紧密排列作为陶瓷层制备陶瓷复合装甲，不仅提升了陶瓷复合装甲拼缝角点处的防护性能，还大大减轻了产品重量。

本实用新型的目的是这样实现的，该复合结构陶瓷，包括陶瓷基底和填充层，在陶瓷基底顶面角点处预置等厚度的凸台，根据来袭弹药弹丸直径，设计凸台大小，将该复合结构陶瓷紧密排列后，相邻凸台形成大于来袭弹丸直径的抗弹体，实现对来袭弹药的精准防护。采用RTM成型、浇注成型等常规成型工艺，将热固性树脂或纤维增强树脂基复合材料填充至陶瓷基底与凸台形成的空腔中，形成填充层，填充层与凸台等厚，该复合结构陶瓷顶面与底面平行，且形状、尺寸相同。该复合结构既弥补了陶瓷基材角点处防护性能差的缺陷，又实现了陶瓷基材与填充层(硬—软材料)单元的独立设计，实现了对来袭弹药的精准防护，有效提升了复合装甲的整体防护性能，同时减轻了结构重量。

本实用新型涉及的一种复合结构陶瓷，为正多边形结构，包括陶瓷基底1和填充层3，所述陶瓷基底1顶面角点处设有等厚度的凸台2，凸台的横截面形状为扇形或等腰三角形，横截面以陶瓷基底1角点为定点，横截面侧边与对应陶瓷基底1角点的两个侧边重合，且横截面侧边边长大于来袭弹丸半径且小于对应侧边长度的一半；填充层3与凸台2等厚；所述填充层3位于凸台2和陶瓷基底1围成的空腔中，填充层3采用热固性树脂或纤维增强树脂基复合材料制备而成，如图1-6所示。

进一步地，凸台2的厚度为陶瓷基底1厚度的1/5～2/5。

进一步地，凸台2材质与陶瓷基底1相同。

本实用新型涉及的陶瓷基底1和凸台2可以独立存在，通过粘接工艺粘接在一起；也可以在整个陶瓷块上机械加工出凸台，还可以通过反应烧结工艺直接产出带有凸台的陶瓷基底。

本实用新型涉及的陶瓷基底为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷中的一种。

本实用新型涉及的填充层由热固性树脂按照常规固化工艺制备而成，热固性树脂优选乙烯基酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或其改性树脂中的一种或其中几种的组合。

本实用新型涉及的填充层是芳纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维、玻璃纤维中的一种或其中几种的组合，和现有技术的常用树脂组合在一起，通过常规工艺制备而成。

进一步地，现有技术的常用树脂为乙烯基酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或其改性树脂中的一种或其中几种的组合；

进一步地，现有技术的常用树脂为聚烯烃、乙烯及其共聚物、苯乙烯及其嵌段共聚物、聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯中的一种或其中几种的组合。

本实用新型涉及的复合结构陶瓷可设计性强，可根据来袭弹药精确设计陶瓷角点处防护性能，消除陶瓷角点处防护性能差的缺陷，通过抗弹陶瓷和增强材料的有效一体化设计，实现了“硬—软”抗弹材料的单元结合；该复合结构陶瓷可多块拼接作为陶瓷复合装甲的陶瓷层，与传统陶瓷复合装甲相比，在陶瓷层厚度相同的条件下，陶瓷用量减少，复合材料用量增多，有效降低了陶瓷层重量，实现了陶瓷单元面内防护性能一致性和轻量化，或在相同重量条件下，有效提升了陶瓷单元角点处的防护性能；

本实用新型涉及的复合结构陶瓷重量轻、抗弹性能优异，适用于各种陶瓷复合装甲，相对于传统复合装甲，该复合结构陶瓷既可显著减轻重量又可有效提升现役装甲装备的防护性能，尤其是抗弹陶瓷角点处的抗弹性能，有效保证了装甲装备轻量化和高防护性能的军事目标。

附图说明

图1本实用新型涉及的一种带凸台的陶瓷基底结构示意图

图2本实用新型涉及的一种带凸台的陶瓷基底结构示意图

图3本实用新型涉及的一种带凸台的陶瓷基底结构示意图

图4本实用新型涉及的一种复合结构陶瓷示意图

图5本实用新型涉及的一种复合结构陶瓷示意图

图6本实用新型涉及的一种复合结构陶瓷示意图

图7本实用新型涉及的复合结构陶瓷的拼接示意图

图8本实用新型涉及的复合结构陶瓷的拼接示意图

图中：1-陶瓷基底，2-凸台，3-填充层

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对发明内容的限制。

为便于理解，将复合结构陶瓷有凸台的面称为B面，相对面称为A面。

实施例一

一种复合结构陶瓷，为正六边体结构，包括陶瓷基底和填充层，其中，陶瓷基底1为正六边形氧化铝陶瓷，边长为20mm，厚度为10mm；陶瓷基底1顶面角点处加工有6 个等厚度凸台2，横截面为扇形结构，凸台厚度为2mm，凸台直径为8mm，该陶瓷块通过切割、打磨、抛光工艺制备，如图2所示；填充层3采用聚氨酯弹性树脂(牌号DE-2380)，采用真空辅助成型工艺，在-0.1MPa条件下，将树脂填充至B面的空腔中，填充厚度为 2mm，室温固化24小时，形成A面、B面平行且形状、大小相同的复合结构陶瓷，该复合结构陶瓷总厚度为12mm，如图5所示。

将多块复合结构陶瓷按图8方式紧密排列得到陶瓷层，采用厚度为2.0mm的碳纤维增强复合材料(牌号FC-2276)作为陶瓷复合装甲的面层和背层。

以乙烯基酯树脂(牌号SW905)体系为粘接剂，按照面层/陶瓷层/背层的铺层方式进行铺层，采用真空辅助成型工艺在-0.1MPa条件下制备陶瓷复合装甲。

该陶瓷复合装甲总厚度为16.0mm，面密度为50kg/m²，在200mm×200mm面积，三块陶瓷角点位置可有效防护6发53式7.62mm穿燃弹，与传统陶瓷复合装甲相比减重率达到了4.91％，抗弹能力和抗多发弹能力显著提升。与4.5mm6252的装甲钢复合后，在近距离内可有效防护53式7.62mm穿燃弹。

实施例二

一种复合结构陶瓷，为正六边体结构，陶瓷基底1为正六边形碳化硼陶瓷，边长为18mm，厚度为8mm；陶瓷基底1顶面角点处有6个等厚度凸台2，横截面为扇形结构，凸台2厚度为3mm、直径为8.5mm，该陶瓷块采用热压烧结工艺制备，如图2所示。填充层3采用纤维增强树脂基复合材料制备而成，采用碳纤维(牌号T700)和芳纶纤维(牌号TH6311)混杂的复合材料为增强材料，聚氨酯胶膜(牌号LS-11TPU)为基体树脂，采用热压工艺，在1.0MPa，180℃条件下，将树脂基纤维增强复合材料填充至B面的空腔中，填充厚度为3mm，形成A面、B面平行且形状、大小相同的复合结构陶瓷，形成的复合结构陶瓷总厚度为11mm，如图5所示。

将多块复合结构陶瓷按图8方式紧密排列得到陶瓷层，采用厚度为4.0mm的芳纶纤维增强复合材料(牌号FC-2244)作为陶瓷复合装甲面层和背层。

以聚脲树脂为粘结剂，将面层/陶瓷层/背层进行有效粘接，得到本实用新型涉及的陶瓷复合装甲。

该陶瓷复合装甲总厚度为19mm，面密度36kg/m²，三块陶瓷角点在受到弹道侵彻时，可实现有效防护，与传统陶瓷复合装甲相比，防护性能有效提升，减重率达到了5.1％。与5mm616的装甲钢复合后，在近距离内可有效防护53式7.62mm穿燃弹。

实施例三

一种复合结构陶瓷，为正方体结构，陶瓷基底1为正方形碳化硅陶瓷，边长为45mm，厚度为8mm，陶瓷基底角点处设有4个等厚度扇形凸台2，厚度为3.2mm、直径为20mm，将扇形凸台2和陶瓷基底1采用聚氨酯胶黏剂(牌号UK8103)粘接，如图1所示。填充层3采用超高分子量聚乙烯UD(牌号EP43a)制备而成，在0.8MPa，115℃条件下，将超高分子量聚乙烯UD填充至B面的空腔中，填充厚度为3.2mm，形成A面、B面均为平面的复合结构陶瓷，形成的复合结构陶瓷总厚度为11.2mm，如图4所示。

将多块复合结构陶瓷按图7方式紧密排列得到陶瓷层。采用厚度为1.0mm的轻质铝合金(牌号LY12)作为陶瓷复合装甲的面层和背层。

以EVA热熔胶胶膜(厚度0.08)为粘接剂，按照面层/胶膜/陶瓷层/胶膜/背层的铺层方式进行铺层。在100℃、0.7MPa，保温保压0.6小时条件下，热压成型，得到本实用新型涉及的陶瓷复合装甲。

该陶瓷复合装甲总厚度为13.2mm，面密度34.5kg/m²，在400mm×300mm面积内，四块陶瓷角点位置可有效防护8发54式7.62mm穿燃弹与传统陶瓷复合装甲，显著提升了抗弹陶瓷角点位置的抗弹能力，减重率达到了5.8％。与15mm616装甲钢复合后，于近距离内有效防护54式12.7mm穿燃弹。

实施例四

一种复合结构陶瓷，为正六边体结构，陶瓷基底1为正六边形碳化钛陶瓷，边长为25mm，厚度为13mm；陶瓷基底1角点处有6个等厚度扇形凸台2，厚度为4mm、直径为16mm，该凸台和陶瓷基底一体成型，通过反应烧结工艺制备而成，如图2所示。填充层3为聚脲弹性体(牌号WS JN-1)填充至B面的空腔中固化形成，填充厚度4mm，形成的复合结构陶瓷总厚度为17mm，如图5所示。

将多块复合结构陶瓷按图8方式紧密排列得到陶瓷层，采用厚度为2.5mm的玻璃纤维增强复合材料(牌号FC-2028)作为陶瓷复合装甲的面层和背层。

以聚乙烯胶膜(牌号HD5070EA)为粘接剂，按照面层/陶瓷层/背层的铺层方式进行铺层，采用热压工艺，在1.0MPa，110℃条件下，保温保压0.6h条件下，得到本实用新型涉及的陶瓷复合装甲。

该陶瓷复合装甲总厚度为22.0mm，面密度80kg/m²，在受到弹道侵彻时，三块陶瓷角点位置可实现有效防护，与传统陶瓷复合装甲相比，陶瓷角点的防护性能明显提高，减重率达到了10.3％。与14mmNP500装甲钢复合后，于近距内有效防护56式14.5mm穿燃弹。

实施例五

一种复合结构陶瓷，为正六边体结构，陶瓷基底1为正六边形氧化铝陶瓷，边长为36mm，厚度为20mm；陶瓷基底1角点处有6个等厚度凸台，凸台横截面形状为等腰三角形，凸台2厚度为8mm、侧边边长尺寸为14mm；凸台和陶瓷基底一体成型，通过反应烧结工艺制备而成，如图3所示。填充层3为908树脂(牌号SW908)填充至B面的空腔中固化形成，填充厚度8mm，形成的复合结构陶瓷总厚度为28mm，如图6所示。

将多块复合结构陶瓷按图8方式紧密排列得到陶瓷层，采用厚度为4.0mm的玻璃纤维增强复合材料(牌号FC-2244)作为陶瓷复合装甲的面层和背层。

以溴化乙烯基酯树脂(牌号SW905-2)体系为粘接剂，按照面层/陶瓷层/背层的铺层方式进行铺层，采用真空辅助成型工艺在-0.1MPa条件下制备陶瓷复合装甲。

该陶瓷复合装甲总厚度为36.0mm，面密度107kg/m²，在受到弹道侵彻时，三块陶瓷角点位置可实现有效防护，与传统陶瓷复合装甲相比，陶瓷角点的防护性能明显提高，减重率达到14.8％。(在陶瓷厚度28mm、面背层材料、厚度及制备工艺相同条件下，制备的陶瓷复合装甲，角点位置不能实现有效防护)，与4.5mmNP500装甲钢复合后，于近距内有效防护54式12.7mm穿燃弹。

Claims (6)

1.一种复合结构陶瓷，为正多边形结构，包括陶瓷基底(1)和填充层(3)，其特征在于：所述陶瓷基底(1)顶面角点处设有等厚度凸台(2)，凸台(2)的横截面形状为扇形或等腰三角形，横截面以陶瓷基底(1)角点为定点，横截面侧边与对应陶瓷基底(1)角点的两个侧边重合，横截面侧边边长大于来袭弹丸半径且小于对应侧边长度的一半；所述填充层(3)位于凸台(2)和陶瓷基底(1)围成的空腔中，填充层(3)与凸台(2)等高，采用热固性树脂或纤维增强树脂基复合材料制备而成。

2.根据权利要求1所述的复合结构陶瓷，其特征在于：所述凸台(2)厚度为陶瓷基底(1)厚度的1/5～2/5。

3.根据权利要求1或2所述的复合结构陶瓷，其特征在于：所述凸台(2)与陶瓷基底(1)的材质相同。

4.根据权利要求1或2所述的复合结构陶瓷，其特征在于：所述陶瓷基底(1)为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的复合结构陶瓷，其特征在于：所述陶瓷基底(1)和凸台(2)通过粘接工艺连接。

6.根据权利要求1或2所述的复合结构陶瓷，其特征在于：所述陶瓷基底(1)和凸台(2)通过反应烧结或机械加工工艺一体成型。

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