CN103213329A

CN103213329A - 轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲及其制备方法

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Publication number: CN103213329A
Application number: CN2013101140508A
Authority: CN
Inventors: 侯润; 卢天健; 夏鸿雁; 倪长也; 张钱城
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-07-24

Abstract

一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲及其制备方法，通过在三块金属面板之间以焊接方式与两块正放四角锥金属网架组的上部与下部构成双层空心金字塔点阵夹层结构，双层空心金字塔点阵夹层结构中浇筑有活性粉末混凝土；这样的复合结构装甲采用混凝土直接浇注的方法，简化了制备工艺，而且金字塔点阵夹层结构的连通性保证了混凝土浇筑后复合结构的整体性；因此，本发明具有重量轻、抗侵彻性能优异、可抵抗二次打击、发挥了装甲结构的整体防护作用等特点，且其制备工艺简单，成本低廉。

Description

轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合结构装甲设计及其制备技术领域，具体涉及一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲及其制备方法。

背景技术

单层均质金属装甲由于其密度大、质量大、成本高，逐渐被密度低、成本低的复合结构装甲所取代。复合结构装甲是由两层以上不同性能的防护材料组成的非均质装甲，它们具有较强的综合抗侵彻性能。

现有轻型装甲车辆的装甲中，金属与陶瓷复合组成的单层或双层复合结构装甲应用最为广泛。其中双层复合结构装甲抗弹效率较高，弥补了单层复合结构装甲极易被飞弹弹丸击穿而丧失保护作用的缺陷，具有抗重复打击能力，适用于更高的抗弹要求。而其中一种双层复合结构装甲每层均由金属波纹板结构为骨架、陶瓷材料为芯部以及二者之间的空隙处填充树脂材料构成。但由于陶瓷密度较高，一般大于3.0g/cm³，增加了车身重量，影响了车辆的机动性。同时陶瓷一般需要经过高温烧结而成，制备与金属波纹板空隙形状相适配的陶瓷需要特定的模具，因此该复合结构装甲的制备较为困难，成本较高。

研究人员尝试过使用密度较低的普通混凝土材料替代上述双层波纹板复合结构装甲中的陶瓷材料。由于普通混凝土的抗压强度与陶瓷相比较低，替代后的复合结构装甲的抗侵彻性能大幅度下降。

而且，不论是陶瓷或是普通混凝土作为芯部材料，其与金属波纹板之间的相对位置难以固定，加之树脂材料的流动性较差，因此给制备过程中树脂材料进行空隙填充的步骤增加了一定的难度。

另外，金属波纹板的存在相当于把整体结构分割成了几个相对独立的部分，在子弹作用的较小范围内存在应力集中现象，应力在各个部分之间的传递较困难。因此，该结构很难发挥出复合结构装甲的整体约束作用。在子弹侵彻作用下，复合结构装甲往往只是小范围内直接被子弹贯穿破坏，其他部分基本无变形，故并未能将整个结构的防护作用得到充分发挥。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲及其制备方法，本发明复合结构装甲保证了混凝土浇筑后复合结构的整体性，具有重量轻、抗侵彻性能优异、可抵抗二次打击、发挥了装甲结构的整体防护作用的特点，且其制备方法简单，成本低廉。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，包括金属面板组、固定在金属面板组间的正放四角锥金属网架组2以及浇筑在金属面板组和正放四角锥金属网架组2间的活性粉末混凝土3，所述金属面板组由自上而下顺序设置的三块金属面板1组成，每两块相邻的金属面板1分别与和金属面板1成角度为θ的正放四角锥金属网架组2的上部和下部固定构成双层空心金字塔点阵夹层结构，在所述双层空心金字塔点阵夹层结构内浇筑有活性粉末混凝土3。

所述金属面板1为表面预先进行了喷砂处理的厚度不小于0.5mm的普通钢板、不锈钢板或铝合金板，相邻两块金属面板1间的间距不小于5mm。

所述正放四角锥金属网架组2为去除底部棱的正放四角锥金属网架，每个四角棱锥的棱厚为0.4mm-8mm，其材质为普通钢材、不锈钢材或铝合金材。

所述正放四角锥金属网架组2的四角锥棱与金属面板1之间所夹角度θ为10°-80°。

上述所述的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：首先采用平整机对金属板材进行平整，然后喷砂处理，得到三块金属面板1，再将退火处理后的金属板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，之后采用液压机通过正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得两块去除底部棱的正放四角锥金属网架组2，最后采用高温钎焊或激光焊将三块金属面板1分别与两块正放四角锥金属网架组2的顶部和底部逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构；

步骤2：以水、高标号水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂及钢纤维或铁粉为原料按预设配比混合并机械搅拌3-15min，得到活性粉末混凝土3的混合料；

步骤3：将步骤2中获得的活性粉末混凝土3混合料浇筑进步骤1中获得的双层空心金字塔点阵夹层结构的空心结构中，再静置、养护后，得到轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲成品。

步骤1所述制备正放四角锥金属网架组2的金属网板厚度不小于0.5mm，每个菱形网孔的短对角线的长度为2mm-30mm，其长对角线的长度为4mm-70mm。

步骤2所述混合料中，硅灰占高标号水泥与硅灰总质量的5-30%，水与高标号水泥加硅灰的质量比为0.12-0.22:1，石英砂与高标号水泥加硅灰的质量比为0.5-1.5:1，钢纤维或铁粉体积占混合料总体积的1-10%，高效减水剂质量占混合料总质量的0.5-3%。

所述高效减水剂为聚羧酸减水剂。

步骤3所述静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置4-24h；养护为：0-60℃和70-90℃水域中分别快速养护4-24h后，再在200-300℃干热烘箱中保温4-24h。

和现有技术相比，本发明所得到的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲的优点如下：

1、与波纹夹层结构相比，金字塔点阵夹层结构的连通性保证了混凝土浇筑后复合结构的整体性，在子弹侵彻作用下可以迅速将应力扩展到一个较大的范围内，而不是局限在某一个或几个波纹结构内存在应力集中现象，发挥了复合结构的整体防护作用。在子弹侵彻该复合结构装甲初始时刻，结构内纵横交错的金属网架的变形及破坏过程能够改变弹丸的冲击状态，起到偏转和销蚀弹丸的作用。而且在金属网架的应力传递和分散作用下，混凝土更容易发生大面积破碎，该破碎过程可以有效吸收冲击能量，从而提高装甲的耐飞弹冲击性能。

2、双层复合结构的存在利于发挥其较强抗冲击能力。子弹在经过第一层结构后弹头被镦粗并偏转方向，增加了子弹在复合结构中运动的阻力和距离，在与第二层结构作用的时候子弹动能大幅度降低，极易被第二层结构所捕获。因此双层复合结构装甲弥补了单层结构装甲极易被飞弹弹丸击穿而丧失保护作用的缺陷，并且该双层复合结构装甲依然保持了轻质的特点，并不会造成质量过于沉重而影响车辆的机动性能的缺陷。

3、高强度活性粉末混凝土的制备成本低，密度低（约为2.5g/cm³），但其抗压强度等力学性能优异，可以有效销蚀弹丸的冲击作用，而且该混凝土内的钢纤维可增加材料的韧性，削弱碎片飞溅引起的二次损伤。

4、采用直接浇筑的方法替代陶瓷与金属之间的胶粘，不但制备工艺简单，而且浇筑后复合结构装甲内的混凝土在养护过程中会产生微量的收缩，从而在混凝土与金属支架间产生微小的间隙，起到吸能和改变弹丸冲击状态的作用。

因此，本发明克服了现有装甲技术密度高、成本高的缺点，实现了降低重量及成本，同时有抗冲击能力不减弱、具备抗二次打击能力、发挥装甲结构整体防护作用的优势，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的双层空心金字塔点阵夹层结构示意图，是从易于观察的角度去除部份上金属面板的结构示意图。

图2是本发明已成型的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲的结构示意图，是从易于观察的角度去除部份上金属面板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲的制备方法，步骤如下：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为0.5mm的普通钢板进行平整，然后进行喷砂处理，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为0.5mm的普通钢板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为30°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、高强度活性粉末混凝土3的混合料的制备：以52.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及铁粉为原料混合并机械搅拌5min，得到高强度活性粉末混凝土3的混合料；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的20%，水与水泥加硅灰的质量比为0.14:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为0.8:1，铁粉体积占混合料总体积的1%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的1.5%；

步骤3、将高强度活性粉末混凝土3的混合料浇筑进双层空心金字塔点阵夹层结构中，再静置、养护后，得到成品即为轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，如图2所示；其中静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置24h；养护为：0℃和80℃水域中分别快速养护24h后，再在250℃干热烘箱中保温8h。

实施例2：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为1mm的不锈钢板进行平整，然后进行喷砂处理，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为1mm的不锈钢板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为45°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、高强度活性粉末混凝土3的混合料的制备：以52.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及钢纤维粉为原料混合并机械搅拌8min，得到高强度活性粉末混凝土3的混合料；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的15%，水与水泥加硅灰的质量比为0.18:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为1.2:1，钢纤维体积占混合料总体积的3%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的0.8%；

步骤3、将高强度活性粉末混凝土3的混合料浇筑进双层空心金字塔点阵夹层结构中，再静置、养护后，得到成品即为轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，如图2所示；其中静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置10h；养护为：60℃和90℃水域中分别快速养护4h后，再在300℃干热烘箱中保温4h。

实施例3：

步骤1、双层空心金字塔点阵夹层结构的制备：采用平整机对厚度为1.5mm的铝合金板进行平整，然后进行喷砂处理，得到金属面板1三块待用；再将退火处理后的厚为1.5mm的铝合金板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，再采用液压机通过角度为60°的正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得去除底部棱的正放四角锥金属网架2两块待用；最后采用高温钎焊将三块金属面板1分别与两块金属网架2逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构，如图1所示；

步骤2、高强度活性粉末混凝土3的混合料的制备：以52.5#水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂及钢纤维为原料混合并机械搅拌15min，得到高强度活性粉末混凝土3的混合料；其中硅灰占水泥与硅灰总质量的5%，水与水泥加硅灰的质量比为0.12:1，石英砂与水泥加硅灰的质量比为0.5:1，钢纤维体积占混合料总体积的5%，聚羧酸减水剂质量占混合料总质量的0.5%；

步骤3、将高强度活性粉末混凝土3的混合料浇筑进双层空心金字塔点阵夹层结构中，再静置、养护后，得到成品即为轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，如图2所示；其中静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置4h；养护为：30℃和70℃水域中分别快速养护18h后，再在200℃干热烘箱中保温24h。

Claims

1.一种轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，其特征在于：包括金属面板组、固定在金属面板组间的正放四角锥金属网架组（2）以及浇筑在金属面板组和正放四角锥金属网架组（2）间的活性粉末混凝土（3），所述金属面板组由自上而下顺序设置的三块金属面板（1）组成，每两块相邻的金属面板（1）分别与和金属面板（1）成角度为θ的正放四角锥金属网架组（2）的上部和下部固定构成双层空心金字塔点阵夹层结构，在所述双层空心金字塔点阵夹层结构内浇筑有活性粉末混凝土（3）。

2.根据权利要求1所述的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，其特征在于：所述金属面板（1）为表面预先进行了喷砂处理的厚度不小于0.5mm的普通钢板、不锈钢板或铝合金板，相邻两块金属面板（1）间的间距不小于5mm。

3.根据权利要求1所述的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，其特征在于：所述正放四角锥金属网架组（2）为去除底部棱的正放四角锥金属网架，每个四角棱锥的棱厚为0.4mm-8mm，其材质为普通钢材、不锈钢材或铝合金材。

4.根据权利要求3所述的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲，其特征在于：所述正放四角锥金属网架组（2）的四角锥棱与金属面板（1）之间所夹角度θ为10°-80°。

5.权利要求1至4任一项所述的轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：首先采用平整机对金属板材进行平整，然后喷砂处理，得到三块金属面板（1），再将退火处理后的金属板材采用穿孔剪进行剪切并扩展得到至少两个均匀分布的菱形状网孔的金属网板，然后采用平整机对金属网板进行平整，之后采用液压机通过正放四角锥网架模具在金属网板的菱形孔上冲压获得两块去除底部棱的正放四角锥金属网架组（2），最后采用高温钎焊或激光焊将三块金属面板（1）分别与两块正放四角锥金属网架组（2）的顶部和底部逐层焊接在一起，构成双层空心金字塔点阵夹层结构；

步骤2：以水、高标号水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂及钢纤维或铁粉为原料按预设配比混合并机械搅拌3-15min，得到活性粉末混凝土（3）的混合料；

步骤3：将步骤2中获得的活性粉末混凝土（3）混合料浇筑进步骤1中获得的双层空心金字塔点阵夹层结构的空心结构中，再静置、养护后，得到轻质低成本混凝土浇筑双层复合结构装甲成品。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1所述制备正放四角锥金属网架组（2）的金属网板厚度不小于0.5mm，每个菱形网孔的短对角线的长度为2mm-30mm，其长对角线的长度为4mm-70mm。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2所述混合料中，硅灰占高标号水泥与硅灰总质量的5-30%，水与高标号水泥加硅灰的质量比为0.12-0.22:1，石英砂与高标号水泥加硅灰的质量比为0.5-1.5:1，钢纤维或铁粉体积占混合料总体积的1-10%，高效减水剂质量占混合料总质量的0.5-3%。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述高效减水剂为聚羧酸减水剂。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤3所述静置为常温下恒温恒湿养护箱内静置4-24h；养护为：0-60℃和70-90℃水域中分别快速养护4-24h后，再在200-300℃干热烘箱中保温4-24h。