CN111805983A - 一种防弹单元及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种防弹单元及其制造工艺，属于防护装备技术领域；所述防弹单元由表及里依次包括超硬涂层、陶瓷面板、碳纤维复合材料组成的支撑层、芳纶纤维材料组成的散能层、超高分子量聚乙烯纤维材料组成的吸能层，且所述防弹单元的面密度为38～40kg/cm2。本发明在38～42kg/m2的面密度情况下，利用多层防护机制，成功防护12.7穿甲燃烧弹的侵彻。
Description
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单元及其制备工艺。
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。装甲钢作为第一代防弹材料，在二次世界大战之前作为坦克防护壳体发挥了应有的作用。但是，装甲钢密度太高，厚厚的钢板大幅度增加了车辆的重量，降低了车辆的战术机动性。
陶瓷作为新一代防弹材料，因其硬度高、模量高、密度低，成为防弹复合装甲的核心材料。在目前已有的各种防弹陶瓷中，碳化硼(B4C)陶瓷具有最小的比重、最高的硬度和弹性模量，是新一代高吸能复合装甲的首选材料，在人体防护、飞机及车辆防护装甲等防护领域有广泛的应用前景。
然而，当弹头击中陶瓷板时，陶瓷板通常会裂解成很多碎片，导致一整块材料的破碎、脱落，因此，单独的陶瓷层并不能作为抗弹装甲。一般的做法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碎裂弹丸并降低弹丸的运动速度，再通过背板对降速后的弹丸进行捕捉。
目前，人们已经提出了各种复合装甲的解决方案。申请号为CN 02256789.5的实用新型专利公开了一种复合材料防弹装甲板，由碳化硼材料、碳纤维铺层和超高分子量聚乙烯纤维板组成，专利没有给出装甲板的工艺细节，无论对于哪种枪弹，这种结构通常需要增加背板的厚度才能实现对弹丸的捕获，所以其防弹效果不佳。
又如申请号为CN200520037954.6的实用新型专利公开了一种多层结构复合材料防弹板，公开了一种软硬交替的五层结构，其中的陶瓷薄板厚度为1mm。但是，从目前的实验数据及相关公开文献表明，这种相互分离的陶瓷薄板无法防止高速子弹的侵彻而难以发挥作用。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种复合结构防弹单元，面密度为38～42kg/m2，能够应对12.7mm口径穿甲燃烧弹减速弹的侵袭，或者与其动能类似的炮弹碎片，或者其他中小型口径弹丸。
一种防弹单元，所述防弹单元由表及里依次包括超硬涂层、陶瓷面板、碳纤维复合材料组成的支撑层、芳纶纤维材料组成的散能层、超高分子量聚乙烯纤维材料组成的吸能层，且所述防弹单元的面密度为38～40kg/cm2。
作为一种防弹单元的优选技术方案，所述陶瓷面板由碳化硼/二硼化钛复合陶瓷组成，所述陶瓷面板面密度占所述防弹单元总面密度的60～75％；所述支撑层的面密度占所述防弹单元总面密度的8～20％；所述散能层的面密度占所述防弹单元总面密度的7～15％；所述吸能层的面密度占所述防弹单元总面密度的的10～15％。
作为一种防弹单元的优选技术方案，所述超硬涂层包括涂覆在所述陶瓷面板迎弹面上的金刚石颗粒涂层，所述金刚石颗粒涂层粘结在所述陶瓷面板上。
作为一种防弹单元的优选技术方案，所述支撑层包括和所述陶瓷面板贴合的碳纤维L和与所述散能层贴合的碳纤维H，所述碳纤维H的面密度≥0.40kg/m2，拉伸断裂强力≥2800N/50mm，碳纤维L的面密度≥0.22kg/m2，拉伸断裂强力≥1700N/50mm。
作为一种防弹单元的优选技术方案，所述碳纤维L的层数为2～4层，所述碳纤维H的层数为6～10层。
作为一种防弹单元的优选技术方案，涂覆在碳纤维L上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(5.5～6.5):(4.5～3.5)，每层涂覆量为16～28kg/m2；涂覆在碳纤维H上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(4.6～5.2):(5.4～4.8)，每层涂覆量为32～40kg/m2。
作为一种防弹单元的优选技术方案，所述散能层由多层芳纶纤维机织布通过热压粘结在一起，所用粘结剂为环氧甲基丙烯酸树脂。
作为本发明一种防弹单元一种技术方案的优选，所述吸能层由超高分子量聚乙烯纤维UD布通过热复合粘结在一起；所述吸能层的弯曲强度大于30MPa，冲击韧性大于160kJ/m2。
一种防弹单元的制造工艺，将吸能层放置在模具底部，并在吸能层表面涂胶水，再将散能层粘贴在吸能层上；在散能层表面涂胶水，再将支撑层粘贴在散能层上；在支撑层表面涂胶水，再将陶瓷面板粘贴在支撑层上；在陶瓷面板表面涂胶水，再将超硬涂层黏贴在陶瓷面板上；最后将模具放入热压炉中进行热压复合，压力为0.2～1.0MPa，温度为105～128℃，保温时间90～120min，得到防弹单元。
作为一种防弹单元的制造工艺的优选技术方案，所述吸能层在制造的时候，将超高分子量聚乙烯纤维UD布涂上粘结剂并叠合后，在135～145℃温度下，压力18～25MPa条件下，保温保压10～25分钟。
本发明优点在于，本发明在38～42kg/m2的面密度情况下，利用多层防护机制，成功防护12.7穿甲燃烧弹的侵彻。
附图说明
图1为本发明防弹单元的结构示意图；
图2为本发明实施例1的防弹单元经过靶试后防弹单元的正面图片；
图3为本发明实施例1的防弹单元经过靶试后防弹单元甲的反面图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明的技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。
所述防弹单元由表及里依次包括超硬涂层、陶瓷面板、碳纤维复合材料组成的支撑层、芳纶纤维材料组成的散能层、超高分子量聚乙烯纤维材料组成的吸能层，且所述防弹单元的面密度为38～40kg/cm2；所述陶瓷面板由碳化硼/二硼化钛复合陶瓷组成，所述陶瓷面板面密度占所述防弹单元总面密度的60～75％；所述支撑层的面密度占所述防弹单元总面密度的8～20％；所述散能层的面密度占所述防弹单元总面密度的7～15％；所述吸能层的面密度占所述防弹单元总面密度的的10～15％。其中，金刚石颗粒通过粘结剂粘结在陶瓷迎弹面上，形成超硬涂层，超硬涂层的面密度为0.5～1.0kg/m2。
在本申请中，所述支撑层包括和所述陶瓷面板贴合的碳纤维L和与所述散能层贴合的碳纤维H，所述碳纤维H的面密度≥0.40kg/m2，拉伸断裂强力≥2800N/50mm，碳纤维L的面密度≥0.22kg/m2，拉伸断裂强力≥1700N/50mm，一般的，所述碳纤维L的层数为2～4层，所述碳纤维H的层数为6～10层，每层碳纤维L以及每层碳纤维H之间采用粘结剂粘结，然后两者之间再粘结一起，在本申请中，涂覆在碳纤维L上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(5.5～6.5):(4.5～3.5)，每层涂覆量为16～28kg/m2；涂覆在碳纤维H上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(4.6～5.2):(5.4～4.8)，每层涂覆量为32～40kg/m2，其中，陶瓷面板和碳纤维L粘结，碳纤维H和散能层粘结，碳纤维H、碳纤维L均采用机织布。
在本实施方式中，所述散能层由多层芳纶纤维机织布通过热压粘结在一起，所用粘结剂为环氧甲基丙烯酸树脂。
所述吸能层由超高分子量聚乙烯纤维UD布通过热复合粘结在一起；所述吸能层的弯曲强度大于30MPa，冲击韧性大于160kJ/m2。
一种防弹单元的制造工艺，将吸能层放置在模具底部，并在吸能层表面涂胶水，再将散能层粘贴在吸能层上；在散能层表面涂胶水，再将支撑层粘贴在散能层上；在支撑层表面涂胶水，再将陶瓷面板粘贴在支撑层上；在陶瓷面板表面涂胶水，再将超硬涂层黏贴在陶瓷面板上；最后将模具放入热压炉中进行热压复合，压力为0.2～1.0MPa，温度为105～128℃，保温时间90～120min，得到防弹单元。
其中，所述吸能层在制造的时候，将超高分子量聚乙烯纤维UD布涂上粘结剂并叠合后，在135～145℃温度下，压力18～25MPa条件下，保温保压10～25分钟。
其中，所述散能层由多层芳纶纤维机织布通过热压粘结在一起，所用粘结剂为环氧甲基丙烯酸树脂；环氧甲基丙烯酸树脂粘结剂占散能层的质量比为25～40％；芳纶纤维优选为对位芳杂环共聚酰胺纤维，断裂强力大于6000N，断裂强力伸长率大于4.5％；根据面密度配重的若干层的芳纶纤维机织布叠合后，在135～145℃，压力18～25MPa条件下，保温保压10～25分钟
其中，所述支撑层包括和所述陶瓷面板贴合的碳纤维L和与所述散能层贴合的碳纤维H，所述碳纤维H的面密度≥0.40kg/m2，拉伸断裂强力≥2800N/50mm，碳纤维L的面密度≥0.22kg/m2，拉伸断裂强力≥1700N/50mm，一般的，所述碳纤维L的层数为2～4层，所述碳纤维H的层数为6～10层，每层碳纤维L以及每层碳纤维H之间采用粘结剂粘结，然后两者之间再粘结一起，涂覆在碳纤维L上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(5.5～6.5):(4.5～3.5)，每层涂覆量为16～28kg/m2；涂覆在碳纤维H上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(4.6～5.2):(5.4～4.8)，每层涂覆量为32～40kg/m2，其中，陶瓷面板和碳纤维L粘结，碳纤维H和散能层粘结，碳纤维H、碳纤维L均采用机织布。
申请人发现，由于子弹巨大的侵彻力，所以如果单纯的依靠增加陶瓷或其余材料的厚度来实现，则会使得整个防弹材料的重量非常的大，不利于穿戴，而还有如背景技术所述，采用钢板材质的，同样存在重量大，防弹效果不好的问题，所以，申请人研发了本申请的技术方案，采用多个不同性能的材料组合成复合防弹单元，能充分发挥各个材料的不同性能和协同效应，可以在稳定防护性能的同时，减小面密度、降低背板的变形背凸。
本申请的技术方案，经过数值模拟和大量的实弹靶试结果表明，陶瓷面板、碳纤维复合材料组成的支撑层、芳纶纤维材料组成的散能层、超高分子量聚乙烯纤维材料组成的吸能层等五种功能性的材料组成的复合装甲具有最优的防弹效果。其中，陶瓷面板的作用是破碎和减速弹丸，陶面板瓷迎弹面上的超硬涂层对抗穿甲燃烧弹特别有效，可以阻止弹着点附近陶瓷破碎锥向其它部分扩展，有助于提高陶瓷对弹头破碎效能，并提高复合装甲抗多发弹和防破片侵彻的能力；由碳纤维复合材料组成的支撑层既起到对陶瓷面板的有力支撑，又能兼顾对弹丸能量的耗散；由芳纶纤维复合材料组成的散能层通过对弹丸弹道的偏转扩大了弹丸的能量耗散；最后，通过超高分子量聚乙烯纤维复合板吸收弹丸的剩余能量，从而确保复合装甲的防护性能。
实施例1
陶瓷面板2为10.5mm厚碳化硼/二硼化钛复合陶瓷板，面密度约为26.8kg/m2；陶瓷面板上的超硬涂层1的面密度0.5kg/m2；支撑层3由1.9mm的碳纤维L复合板和2.5mm的碳纤维H复合板组成，总体面密度为4.8kg/m2；散能层4为2.7mm厚的芳纶纤维板，面密度为3kg/m2；吸能层5为5mm厚超高分子量聚乙烯UD布复合板，面密度为4.8kg/m2。复合后整板面密度为39.5～40kg/m2，整板厚度为21～22mm，尺寸为300×300mm正方形平板。经过12.7mm穿甲燃烧弹的抗弹性能靶试，靶板整体未被弹丸穿透。
部分其它实施例，复合装甲中各功能层的面密度分配如表1所示。
表1部分实施例中装甲板各功能层的面密度分配
Claims (10)
1.一种防弹单元，其特征在于，所述防弹单元由表及里依次包括超硬涂层(1)、陶瓷面板(2)、碳纤维复合材料组成的支撑层(3)、芳纶纤维材料组成的散能层(4)、超高分子量聚乙烯纤维材料组成的吸能层(5)，且所述防弹单元的面密度为38～40kg/cm2。
2.依据权利要求书1所述的一种防弹单元，其特征在于，所述陶瓷面板(2)由碳化硼/二硼化钛复合陶瓷组成，所述陶瓷面板(2)面密度占所述防弹单元总面密度的60～75％；所述支撑层(3)的面密度占所述防弹单元总面密度的8～20％；所述散能层(4)的面密度占所述防弹单元总面密度的7～15％；所述吸能层(5)的面密度占所述防弹单元总面密度的的10～15％。
3.依据权利要求书1所述的一种防弹单元，其特征在于：所述超硬涂层(1)包括涂覆在所述陶瓷面板(2)迎弹面上的金刚石颗粒涂层，所述金刚石颗粒涂层粘结在所述陶瓷面板(2)上。
4.依据权利要求书1所述的一种防弹单元，其特征在于，所述支撑层(3)包括和所述陶瓷面板(2)贴合的碳纤维L和与所述散能层(4)贴合的碳纤维H，所述碳纤维H的面密度≥0.40kg/m2，拉伸断裂强力≥2800N/50mm，碳纤维L的面密度≥0.22kg/m2，拉伸断裂强力≥1700N/50mm。
5.依据权利要求书4所述的一种防弹单元，其特征在于，所述碳纤维L的层数为2～4层，所述碳纤维H的层数为6～10层。
6.依据权利要求书5所述的一种防弹单元，其特征在于，涂覆在碳纤维L上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(5.5～6.5):(4.5～3.5)，每层涂覆量为16～28kg/m2；涂覆在碳纤维H上的粘结剂中双酚A型环氧树脂和酚醛胺型固化剂的质量比为(4.6～5.2):(5.4～4.8)，每层涂覆量为32～40kg/m2。
7.依据权利要求书1所述的一种防弹单元，其特征在于：所述散能层(4)由多层芳纶纤维机织布通过热压粘结在一起，所用粘结剂为环氧甲基丙烯酸树脂。
8.依据权利要求书1所述的一种防弹单元，其特征在于：所述吸能层(5)由超高分子量聚乙烯纤维UD布通过热复合粘结在一起；所述吸能层(5)的弯曲强度大于30MPa，冲击韧性大于160kJ/m2。
9.一种防弹单元的制造工艺，其特征在于：将吸能层(5)放置在模具底部，并在吸能层(5)表面涂胶水，再将散能层(4)粘贴在吸能层(5)上；在散能层(4)表面涂胶水，再将支撑层(3)粘贴在散能层(4)上；在支撑层(3)表面涂胶水，再将陶瓷面板(2)粘贴在支撑层(3)上；在陶瓷面板(2)表面涂胶水，再将超硬涂层(1)黏贴在陶瓷面板(2)上；最后将模具放入热压炉中进行热压复合，压力为0.2～1.0MPa，温度为105～128℃，保温时间90～120min，得到防弹单元。
10.根据权利要求9所述的一种防弹单元的制造工艺，其特征在于：所述吸能层(5)在制造的时候，将超高分子量聚乙烯纤维UD布涂上粘结剂并叠合后，在135～145℃温度下，压力18～25MPa条件下，保温保压10～25分钟。
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