CN103206897A - 一种复合结构防弹材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合结构防弹材料及其制备方法，其特征在于包括五层材料，由表及里依次为聚碳酸酯或纤维复合材料组成的防崩落层、板或颗粒陶瓷元件组成的陶瓷层、TC4钛合金或纤维复合材料组成的碰撞层、超高分子量聚乙烯纤维无纬布或泡沫铝与超高分子量聚乙烯纤维无纬布组成的吸能反弹层、TC4钛合金或纤维复合材料组成的抵抗层，各层之间采通过粘结剂粘接，面密度为60～90kg/m²。该复合结构防弹材料具有低容重、高抗弹性能，且能抗多发弹的优点，可作为7.62mm及其以上中小型口径穿甲燃烧弹的防护材料，也可以作为舰船甲板、盾牌。

Description

一种复合结构防弹材料及其制备方法

技术领域

本发明专利涉及一种防弹材料及其制备方法，尤其是涉及一种复合结构防弹材料及其制备方法。

背景资料

防弹材料是提高人员及装备战场生存能力的关键要素，各国都在大力研发。装甲钢是第一代防弹材料，强度高、硬度高、模量高，可作为坦克壳体，轻质装甲车披挂装甲，靠硬碰硬的刚性变形原理吸收弹头的动能，然而密度太高，为了防高速穿甲弹，钢板厚度甚至达到100～500mm，增加了车辆的重量，降低了车辆的灵活性。陶瓷是第二代防弹材料，因其硬度更高、模量更高，耐磨性优良且密度低，成为轻质防弹材料的代表，现在更多的是将陶瓷材料粘接到金属板或复合材料板表面，依赖其高耐磨高硬度毁伤弹丸、迫其减速碎裂，再通过背板对降速后的弹丸进行捕捉。然而，当弹头击中陶瓷板时，陶瓷板分裂成很多碎片，导致一整块材料的破碎、脱落，增大了未防弹面积，造成失效。凯夫拉等高性能高分子纤维是第三代防弹材料，依赖弹性变形吸收弹头的能量，能有效应对手枪、微冲锋枪和铅芯弹头。因其密度仅0.85～1.0g/cm³，凯夫拉复合材料广泛应用于防弹衣和防弹头盔，轻型舰船舰体，但不能抵抗高速动能穿甲燃烧弹。金属材料、陶瓷材料、高分子材料各有特点，然而单独一种材料不能胜任任意场合，因此近年来，先进的防弹材料都是多种类材料的混杂和组合。

申请号为200520037954.6的专利公开了一种多层结构复合材料防弹板和防弹装置，公开了两种五层结构，第一种是一、二、四层为陶瓷层，三层为金属层，五层为纤维层，第二种是一、三、五层为陶瓷层，二层为金属层，四层为纤维层，所述的陶瓷薄板厚度为1mm。该专利所述结构对于低速手枪弹是合适的，但是对于中小口径高速穿甲燃烧弹，因其陶瓷板太薄而难以发挥作用。另外，依据贝壳仿生学原理，软硬交替的多层结构具有优良的抗击打性能，多层硬质材料叠层因其声阻抗差异小对激波的反射和衰减作用作用小。

申请号为02256789.5的专利公开了一种复合材料防弹承力装甲板，其特征在于表面采用碳化硼材料、背板依次为碳纤维铺层、超高分子量聚乙烯纤维板。专利给出了子弹型号，但是未给出弹丸的速度。从目前的实验数据及相关公开文献表明，这种结构针对12.7mm口径穿甲燃烧弹，可防御的速度为488m/s，或小于500m/s。弹丸穿过碳纤维复合材料后，在超高分子量聚乙烯纤维板中产生非常大的变形，尽管防弹承力装甲板主要是通过表面碳化硼和碳纤维铺层来吸收子弹能量，但是由于变形大，通常增加背板的厚度来实现对弹丸的捕获。

美军标MIL-PRF-46103E中Type III中2C防护标准规定为12.7mm穿甲燃烧弹，且V50为869m/s。V50即6～10发弹丸靶试后，50％弹丸穿透，50％弹丸未穿透条件下，弹丸距靶板100米处的平均速度。对应国内外规范，Type III中2C标准一般是针对12.7mm穿甲燃烧弹，要求V50大于869m/s或着靶速度大于818m/s。国内外资料表明，要能够有效防护12.7mm穿甲燃烧弹，即达到Type III中2C标准，防弹板面密度均需达到100Kg/m²以上，这大大增加了防弹板的重量。目前，高性能防弹材料的核心技术是在低面密度以及可控制的厚度条件下能抗击弹丸更大的速度冲击。低密度、可控厚度即要具有高的防护系数，又要具有抗多发弹的能力，且低成本、易维护，是抗中小型口径穿甲燃烧弹的防弹板的目标。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种复合结构防弹材料，面密度为60～90Kg/m²，能够应对7.62mm、12.7mm、14.5mm等中小型口径穿甲燃烧弹，或者与其动能类似的炮弹碎片，或者其他中小型口径弹丸。本发明所述的复合结构防弹材料，其特征在于包括五层材料，各层通过粘结剂牢固粘接，由表及里依次为纤维复合材料或聚碳酸酯薄膜材料组成的防崩落层10，优先选用碳纤维或玻璃纤维复合材料；刚玉或碳化硅或碳化硼元件组成的陶瓷层20，陶瓷元件可以是颗粒状，也可以是板状，颗粒包括球形、两端面平行的柱形、两端面鼓起的柱形，空心的柱形，优先选用两端面鼓起的刚玉陶瓷柱，陶瓷柱的直径为10～20mm；TC4钛合金或纤维复合材料组成的碰撞层30，对于小口径穿甲燃烧弹，优先选用碳纤维复合材料或凯夫拉纤维复合材料，对于中口径穿甲燃烧弹，优先选用TC4钛合金；超高分子量聚乙烯纤维无纬布或泡沫铝与超高分子量聚乙烯纤维无纬布组成的低密度吸能反弹层40，若碰撞层30为纤维复合材料，该层优先选用超高分子量聚乙烯纤维无纬布，若碰撞层30为钛合金，该层优先选用泡沫铝与超高分子量聚乙烯纤维无纬布叠层，其中泡沫铝与碰撞层30相邻；TC4钛合金或纤维复合材料组成的抵抗层50，对于小口径穿甲燃烧弹或面密度要求较低的复合结构防弹材料，优先选用碳纤维或凯夫拉纤维复合材料。各层的厚度随着穿甲燃烧弹的口径的不同而有差异，防崩落层10厚度为1～3mm，陶瓷层20厚度为10～25mm，碰撞层30厚度为2～6mm，吸能反弹层40厚度为4～7mm，抵抗层50厚度为1～4mm。

本发明还提供上述复合结构防弹材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)将抵抗层50放置在模具底部，在其表面涂胶，然后将吸能反弹层40粘贴在其上，顺序地涂胶，再将碰撞层30牢固粘贴；

(2)把陶瓷元件60密排在碰撞层30上，并浇注液态橡胶或环氧树脂或酚醛树脂或它们的组合，然后固化得到陶瓷层20，若采用液态橡胶，则固化温度为20～100℃，若采用树脂，则与第3步骤中纤维预浸布固化同时进行；

(3)在密排的陶瓷层上粘贴聚碳酸酯板，若铺叠纤维预浸布，需经过热压固化后得到防崩落层10，固化温度70～200℃；

(4)整体结构从模具中起出，侧壁加工平整即得到复合结构防弹材料板。

该发明所述的复合结构防弹材料还可以修复，图2为修复过程图片，图中陶瓷层20内一个或多个陶瓷柱被击碎后出现空缺位70，先将破碎的陶瓷元件粉末或碎块清除，可以是一个，也可以是多个，然后将新的陶瓷柱60按照箭头所示方向楔入空缺位70，再浇注液态橡胶，表面抹平，常温固化后即完成修复，修复后的陶瓷层20性能与原件一致。

本发明优点在于：(1)多层防护，陶瓷、金属、塑料防弹性能充分发挥，整体结构防弹性能均优于单一的材料或其中任意两种所组成的防弹材料或结构，具有可靠性；(2)陶瓷元件碎裂后，可在原位补充陶瓷元件，然后注入液体橡胶或其他树脂材料，固化后达到初始性能；(3)根据实际需要设计成任何尺寸，可对曲面或大面积一次成形。

附图说明

图1复合结构防弹材料示意图

图中10为防崩落层，20为陶瓷层，30为碰撞层，40为吸能反弹层，50为抵抗层。

图2复合结构防弹材料弹击后修复图

图中60为陶瓷柱，70为空缺处或已碎裂弹丸处。

图3实施例1经过靶试后的以陶瓷柱60为元件复合的陶瓷层20的图片

图4实施例2经过靶试后的钛合金为抵抗层50的变形图片

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

防崩落层10为1mm厚聚碳酸酯板，面密度为0.1g/cm²；陶瓷层20为高18mm的刚玉陶瓷柱，两端为半球面，面密度为5.24g/cm²；碰撞层30为3mm厚TC4板，面密度为1.335g/cm²；吸能反弹层40为5mm厚超高分子量聚乙烯纤维无纬布板，面密度为0.445g/cm²；抵抗层50为2mm厚TC4钛合金板，面密度为0.89g/cm²。复合后整板面密度为8.0～8.2g/cm²，亦即80～82Kg/m²，整板厚度为29～30mm，整板为正方形平板，长宽均为150mm。经过12.7mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，两发弹丸着靶速度分别为826m/s和820m/s，靶板整体未被弹丸穿透。图3为经过靶试后的以陶瓷柱60为元件复合的陶瓷层20的图片，图中所标识的1#为第一发穿甲燃烧弹着靶处，2#为第二发穿甲燃烧弹着靶处，陶瓷层20和整个靶板没有碎裂，表明该复合结构防弹材料能够防多发弹。

实施例2

防崩落层10为2mm碳纤维复合材料板，面密度为0.2g/cm²；陶瓷层20为15mm厚碳化硼板，面密度为3.82g/cm²；碰撞层30为3mm厚凯夫拉复合材料板，面密度为0.3g/cm²；吸能反弹层40为2mm厚泡沫铝叠加5mm厚超高分子量聚乙烯纤维无纬布板，面密度为0.6g/cm²；抵抗层50为3mm厚TC4板，面密度为1.335g/cm²。复合后整板面密度为6.3～7.0g/cm²，亦即63～70Kg/m²，整板厚度为30～32mm，整板为正方形平板，长宽均为150mm。经过12.7mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，着靶速度819m/s，靶板整体结构未被弹丸穿透。图4为靶试后的钛合金为抵抗层50的变形图片，可见背板发生变形，但是没有被穿透，表明该结构能防住12.7mm穿甲燃烧弹。

上述仅为本发明的几个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。

Claims (8)

1.一种复合结构防弹材料，其特征在于包括五层材料，由表及里依次为防崩落层、陶瓷层、碰撞层、吸能反弹层、抵抗层，各层通过粘结剂粘接，面密度为60～90Kg/m²。

2.依据权利要求书1所述，其特征在于防崩落层由纤维复合材料或聚碳酸酯薄膜材料组成，厚度为1～3mm，优先选用碳纤维或玻璃纤维复合材料。

3.依据权利要求书1所述，其特征在于陶瓷层由刚玉或碳化硅或碳化硼组成，厚度为10～25mm，可以是颗粒状，也可以是板状，颗粒包括球形、两端面平行的柱形、两端面鼓起的柱形，空心的柱形，优先选用两端面鼓起的刚玉陶瓷柱。

4.依据权利要求书1所述，其特征在于碰撞层由TC₄钛合金或纤维复合材料组成，厚度为2～6mm，对于小口径穿甲燃烧弹，优先选用碳纤维复合材料或凯夫拉纤维复合材料，对于中口径穿甲燃烧弹，优先选用TC₄钛合金。

5.依据权利要求书1所述，其特征在于吸能反弹层由超高分子量聚乙烯纤维无纬布或泡沫铝与超高分子量聚乙烯纤维无纬布叠层组成，厚度为4～7mm，若碰撞层为纤维复合材料，该层优先选用超高分子量聚乙烯纤维无纬布，若碰撞层为钛合金，该层优先选用泡沫铝与超高分子量聚乙烯纤维无纬布叠层，其中泡沫铝与碰撞层相邻。

6.依据权利要求书1所述，其特征在于抵抗层由TC₄钛合金或纤维复合材料组成，优先选用凯夫拉纤维复合材料，厚度为1～4mm。

7.一种复合结构防弹材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)将抵抗层放置在模具底部，在其表面涂胶，然后将吸能反弹层粘贴其上，顺序地涂胶，再将碰撞层牢固粘贴；

(2)把陶瓷元件密排在碰撞层上，并浇注液态橡胶或环氧树脂或酚醛树脂或它们的组合，然后固化得到陶瓷层，若采用液态橡胶，则固化温度为20～100℃，若采用树脂，则与第3步骤中纤维预浸布固化同时进行；

(3)在密排的陶瓷层上粘贴聚碳酸酯板，若铺叠纤维预浸布，需经过热压固化后得到防崩落层，固化温度70～200℃；

(4)整体结构从模具中起出，侧壁加工平整即得到复合结构防弹材料板。

8.依据权利要求书7所述，其特征在于该发明所述的结构还可以修复，先将破碎的陶瓷柱清理，出现空缺位，将新的陶瓷柱楔入空缺位，然后浇注液态橡胶，表面抹平、常温固化后即完成修复。

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