CN104057666A - 一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃及加工方法，该防弹玻璃包括至少四层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层、单晶蓝宝石层、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层以及透明有机材料层。所述的单晶蓝宝石层为高温熔液定向凝固形成的单晶板材，且单晶蓝宝石层表面未经任何加工或未经抛光处理。本发明所提的一种易于加工的蓝宝石防弹玻璃，在降低制作成本的同时，规避了困难的蓝宝石磨抛，同时拥有良好的抗弹能力。

Description

一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种单晶蓝宝石防弹玻璃，具体涉及一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃。

背景技术

防弹玻璃是由玻璃（或有机玻璃）和优质工程塑料经特殊加工得到的一种复合型材料，不同厂商生产的防弹玻璃各异。但基本上都是在玻璃层中夹上聚碳酸酯材料层，这一过程称为层压。在这个过程中，形成了一种类似普通玻璃但比普通玻璃更厚的物质。玻璃可以是普通的玻璃、浮法玻璃、透明微晶或强化玻璃等，聚碳酸酯是一种硬性透明塑料。防弹玻璃的厚度在7 毫米到75 毫米之间。射在防弹玻璃上的子弹会将外层的玻璃击穿，但聚碳酸酯玻璃材料层能够吸收子弹的能量，从而阻止它穿透玻璃内层。CN203229462U公开了一种新型防弹玻璃，包括铯钾玻璃复合层，所述的铯钾玻璃复合层的上部与下部分别设有与之相粘合的硅酸盐溶液膜层。CN2499227Y 公开了一种防爆防弹玻璃，包括含PVB 或PU 胶片的平面或弧面夹层玻璃，并且在夹层玻璃中的PVB 或PU 胶片的玻璃之间有一钛金膜或PC 。CN103486908A公开了一种防弹玻璃，依次由夹层玻璃、聚氨酯胶片和PC 板复合而成。CN101795862A公开了一种抗穿甲弹的窗玻璃，包含三个玻璃层，玻璃层之间被粘合层连接，粘合层采用放碎裂和吸能材料复合而成。

防弹玻璃在炕单过程中，外层玻璃被子弹撞击和侵蚀，最后断裂，因此防弹玻璃的外层防弹板的高强度和高压缩性是决定了整个防弹玻璃抗弹性能的最主要因素之一。而玻璃属于多晶材料，其弹性模量、抗拉强度和抗剪强度远不及钢弹，因此防弹玻璃的应用范围受制于玻璃的种种特性。

另一方面，蓝宝石拥有极高的熔点，其弹性模量、抗拉强度和抗剪强度可以超过一般的炮钢。目前最常用的生长蓝宝石板材的方法为EFG 法，该方法借助模具，将高温氧化铝熔液直接定向凝固成大尺寸单晶蓝宝石板材，但由于直接生长的晶体表面粗糙，粗糙的表面对光进行了不同方向的折射，使其可见光透过后的图像采生了严重变形，无法达到透明装甲对外部观察的要求。在以往的蓝宝石单晶EFG 板材在应用于防弹玻璃之前，为了解决粗糙的表面对光不同方向折射的影响，需要对晶体进行磨抛处理。这是一个加工成本很大的处理。因为蓝宝石莫氏硬度达到9，磨抛的过程难度大、而且加工过程中还要注意防止晶体表面应力变化，当板材的面积很大时，硬度很高的材料磨抛很难保证平整度（TTV）和翘曲度（BOW）。

因此，如果想低成本地利用蓝宝石作为防弹透明装甲，需要降低蓝宝石防弹玻璃的制造难度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，包括至少四层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层、单晶蓝宝石层、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层以及透明有机材料层。

进一步地，所述的单晶蓝宝石层为高温熔液定向凝固形成的单晶板材，且单晶蓝宝石层表面未经任何加工或未经抛光处理。

进一步地，所述的外层光学玻璃层或者内层光学玻璃层至少包含一层透明且可见光波折射率为1.755～1.77的光学玻璃。

进一步地，所述的光学玻璃为含有二氧化硅和氧化铅的重火石玻璃或者含有二氧化硅和镧火石玻璃中的一种或者两种。

进一步地，所述的重火石玻璃或者镧火石玻璃为浮法玻璃、平拉玻璃、垂直引上玻璃或延压玻璃。

进一步地，所述的外层光学玻璃层的厚度为0.2～10mm，内层光学玻璃层的厚度为0.2～10mm。

进一步地，所述的透明有机材料层的厚度为3～10mm，采用的材料为聚碳酸酯板材、聚碳酸酯纤维层、丙烯酸酯纤维层、聚乙烯层或聚氨酯层。

进一步地，所述的单晶蓝宝石层的厚度为8～50mm，其与光学玻璃的贴合面为蓝宝石晶体的A面或M面。

进一步地，所述的内层光学玻璃层和透明有机材料层之间设置有聚氨酯胶片粘合层。

本发明还提供了一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃的加工方法，包括加工蓝宝石复合玻璃、蓝宝石复合玻璃磨抛处理和贴合透明有机材料三个步骤，具体操作如下：

（1）加工蓝宝石复合玻璃：将外层光学玻璃层和内层光学玻璃层分别贴合于单晶蓝宝石层的两侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在外层光学玻璃层和内层光学玻璃层上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温，获得蓝宝石复合玻璃；

（2）蓝宝石复合玻璃磨抛处理：采用常规的磨抛处理；

（3）贴合透明有机材料：步骤（2）处理后的蓝宝石复合玻璃、聚氨酯胶片粘合层和透明有机材料层依次贴合压紧，升温至20℃～160℃，保温2～6小时后，在蓝宝石复合玻璃和透明有机材料层均匀施加0.1MPa～2.6MPa的压力，保持压力2～20小时，缓慢降至室温，获得单晶蓝宝石防弹玻璃。

本发明的有益效果：

1、本发明所提的一种易于加工的蓝宝石防弹玻璃，结构合理，拥有良好的抗弹能力；

2、本发明蓝宝石防弹玻璃的加工方法简便，规避了困难的蓝宝石磨抛处理，仅对外层或内层玻璃进行磨抛处理，便可获得良好的光学效果，其加工成本和加工难度，较光学效果等同级别的蓝宝石均大幅降低。

附图说明

图1为本发明的实施例1的防弹玻璃的结构示意图；

图中，1-外层光学玻璃层；2-单晶蓝宝石层；3-内层光学玻璃层；4-透明有机材料层。

图2为本发明实施例2的防弹玻璃的结构示意图；

图中，1-外层光学玻璃层；2-单晶蓝宝石层A；3-内层光学玻璃层A；4-单晶蓝宝石层B；5-内层光学玻璃层B；6-透明有机材料层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

本发明的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，包括至少四层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层、单晶蓝宝石层、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层以及透明有机材料层。

其中，单晶蓝宝石，由EFG 直接生长而成，表面未经任何加工，或者仅经过最简单的表面磨平处理，未经过抛光加工。

折射率与蓝宝石接近的光学玻璃，至少含有一层透明无色且可见光波段折射率为1.755 至1.765 的普通光学玻璃，其材质可以是重火石玻璃或镧火石玻璃的一种或者两种，其制作工艺可以是浮法玻璃或压延玻璃等工艺方法。

透明有机材料层是一种透光性能良好，且具有一定韧性的聚碳酸酯板材；透明有机材料也可以采用具有韧性的聚碳酸酯纤维层、丙烯酸酯纤维层、聚乙烯、聚氨酯等材料。

考虑到EFG 工艺生长的晶体，其厚度差异0.2mm 以上，因此所述光学玻璃层厚度必须大于0.2mm，以覆盖蓝宝石表面不平坦的凹凸结构。由于光学玻璃层目的在于消除蓝宝石不平整的表面产生的不同方向的折射，而不在于抗弹，所以厚度超过10mm 亦无必要。

根据使用场合和目的蓝宝石层厚度通常为5～50mm，若蓝宝石层厚度低于5mm，则抗弹明显能力降，若蓝宝石层厚度超过50mm，则EFG 工艺生长蓝宝石晶体难以实现。实验表明，通常25mm 蓝宝石板抗弹能力相当于80mm 钢板，可满足多数场合要求。单晶蓝宝石层与光学玻璃层贴合面是单晶蓝宝石的A 面或M 面，虽然C 面各性能略优于A面和M 面，但在高温状态下对C 面施加高压，单晶蓝宝石有被造成孪晶的风险。聚碳酸酯板其主要作用在于防止破碎的蓝宝石迸溅，也可对弹头进行吸能，通常3～10mm 即可满足要求。

将普通光学玻璃和蓝宝石板材之间紧密结合的工艺如下：

（1）加工蓝宝石复合玻璃：将外层光学玻璃层和内层光学玻璃层分别贴合于单晶蓝宝石层的两侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在外层光学玻璃层和内层光学玻璃层上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温，获得蓝宝石复合玻璃；

（2）蓝宝石复合玻璃磨抛处理：采用常规的磨抛处理，这时的磨抛处理是针对普通光学玻璃而不是针对蓝宝石板材，因此加工难度和成本大幅降低

（3）贴合透明有机材料：步骤（2）处理后的蓝宝石复合玻璃、聚氨酯胶片粘合层和透明有机材料层依次贴合压紧，升温至20℃～160℃，保温2～6小时后，在蓝宝石复合玻璃和透明有机材料层均匀施加0.1MPa～2.6MPa的压力，保持压力2～20小时，缓慢降至室温，获得单晶蓝宝石防弹玻璃。

根据相对折射率定理，

其中 是入射光侧介质可见光波段的折射率，是入射角；折射光侧介质可见光波段的折射率， 是折射角。

当光束入射未经处理的单晶蓝宝时，光线在蓝宝石和空气界面发生折射，由于表面粗糙度比较低，凹凸点距离非常大，肉眼通过凹凸观察远处物体变形，造成无法观察。但对于蓝宝石复合玻璃而言，由于蓝宝石层和玻璃层之间通过高温高压处理，原子相互扩散后贴合在一起，而且蓝宝石的折射率和玻璃的折射率基本当等，所以入射角和折射角基本相等，即介质内部光线基本沿直线传播。因此当光线由蓝宝石入射穿过玻璃时，光线穿过蓝宝石和玻璃之间的界面依然是不平整的界面，但肉眼依然无法发现通过折射后的物体变形。当光线由玻璃入射穿过蓝宝石时，情况亦然。这样就通过一种非常容易的方式，实现了透光性及防止光学畸变的要求，而防弹玻璃整体则拥有单晶蓝宝石出色的机械性能和防弹能力。

实施例1

一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，包括四层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层1、单晶蓝宝石层2、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层3以及透明有机材料层4。

采用两块尺寸为 300mm * 500mm * 0.5mm，折射率为1.765 的浮法，重火石玻璃，一块由EFG 法生长的单晶蓝宝石板尺寸300mm * 500mm *15mm，一块聚碳酸酯板厚度300mm * 500mm * 3mm，一块聚氨酯胶片厚度300mm * 500mm * 0.8mm。

1）将重火石玻璃、单晶蓝宝石和聚碳酸酯板清洗干净，烘干备用；

2）依次将一块重火石玻璃、单晶蓝宝石和另一块重火石玻璃，贴合压紧；

3）置于压合炉中，2 度/min，升温至1100 度，恒温2 小时，在重火石玻璃两侧施加2MPa 压力，保持压力5 小时；

4）100 度/小时降温至660 度，保温20 小时，然后继续降温至室温；

5）对重火石玻璃包裹单晶蓝宝石进行必要的磨抛，依次将重火石玻璃包裹蓝宝石、聚氨酯胶片和聚碳酸酯板贴合压紧；

6）置于压合炉中，2 度/min，升温至130 度，预热1.5MPa 均匀压在重火石玻璃片和聚碳酸酯片两侧，保持压力2 小时；

7）100 度/小时，降至室温，取出防弹玻璃。

所得防弹玻璃经过测试，弹速在700m/s 的56 式钢弹和56 式穿燃弹均未能击穿防弹玻璃。

实施例2

一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，包括6层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层1、单晶蓝宝石层A2、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层A3、单晶蓝宝石层B4、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层B5以及透明有机材料层6。

采用一块尺寸为 300mm * 300mm * 0.3mm，和两块尺寸为300mm*300mm*0.5mm折射率为1.76 的浮法，镧火石玻璃，一块由EFG 法生长的单晶蓝宝石板尺寸300mm * 300mm *13mm，一块聚碳酸酯板厚度300mm * 300mm * 8mm，一块聚氨酯胶片厚度300mm * 300mm * 0.5mm。

1）将镧火石玻璃、单晶蓝宝石和聚碳酸酯板清洗干净，烘干备用；

2）依次将厚度为0.3mm的镧火石玻璃、厚度为12.5mm的单晶蓝宝石、厚度为0.5mm的镧火石玻璃、厚度为12.5mm的单晶蓝宝石和另一块厚度为0.5mm的镧火石玻璃，贴合压紧；

3）置于压合炉中，5度/min，升温至1150 度，恒温5 小时，在重火石玻璃两侧施加4MPa 压力，保持压力8 小时；

4）100 度/小时降温至645 度，保温20 小时，然后继续降温至室温；

5）对镧火石玻璃包裹单晶蓝宝石进行必要的磨抛，最大限度的磨抛外层0.3mm的镧火石玻璃，同时对内侧0.5mm的镧火石玻璃进行必要的磨抛，依次将镧火石玻璃包裹蓝宝石、聚氨酯胶片和聚碳酸酯板贴合压紧；

6）置于压合炉中，2 度/min，升温至130 度，预热1.5MPa 均匀压在重火石玻璃片和聚碳酸酯片两侧，保持压力2 小时；

7）100 度/小时，降至室温，取出防弹玻璃。

所得防弹玻璃，经过测试其平均断裂强度为360MPa,与典型的单晶蓝宝石的350-400MPa基本相当，适合作为透明装甲使用。

Claims (10)

1.一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：包括至少四层结构，依次为折射率与蓝宝石接近的外层光学玻璃层、单晶蓝宝石层、折射率与蓝宝石接近的内层光学玻璃层以及透明有机材料层。

2. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的单晶蓝宝石层为高温熔液定向凝固形成的单晶板材，且单晶蓝宝石层表面未经任何加工或未经抛光处理。

3. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的外层光学玻璃层或者内层光学玻璃层至少包含一层透明且可见光波折射率为1.755～1.77的光学玻璃。

4. 根据权利要求3所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的光学玻璃为含有二氧化硅和氧化铅的重火石玻璃或者含有二氧化硅和氧化镧的镧火石玻璃中的一种或者两种。

5. 根据权利要求4所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的重火石玻璃或者镧火石玻璃为浮法玻璃、平拉玻璃、垂直引上玻璃或延压玻璃。

6. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的外层光学玻璃层的厚度为0.2～10mm，内层光学玻璃层的厚度为0.2～10mm。

7. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的透明有机材料层的厚度为3～10mm，采用的材料为聚碳酸酯板材、聚碳酸酯纤维层、丙烯酸酯纤维层、聚乙烯层或聚氨酯层。

8. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的单晶蓝宝石层的厚度为8～50mm，其与光学玻璃的贴合面为蓝宝石晶体的A面或M面。

9. 根据权利要求1所述的一种易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃，其特征在于：所述的内层光学玻璃层和透明有机材料层之间设置有聚氨酯胶片粘合层。

10. 一种实现权利要求1所述的易于加工的单晶蓝宝石防弹玻璃的加工方法，其特征在于：包括加工蓝宝石复合玻璃、蓝宝石复合玻璃磨抛处理和贴合透明有机材料三个步骤，具体操作如下：

（1）加工蓝宝石复合玻璃：将外层光学玻璃层和内层光学玻璃层分别贴合于单晶蓝宝石层的两侧，升温至500℃～1200℃，保温2～6小时，在外层光学玻璃层和内层光学玻璃层上均匀施加0.1MPa～5MPa的压力，保压2～20小时，以100～500℃/h降至550～650℃，保温2～20h，再缓慢降至室温，获得蓝宝石复合玻璃；

（2）蓝宝石复合玻璃磨抛处理：采用常规的磨抛处理；

（3）贴合透明有机材料：步骤（2）处理后的蓝宝石复合玻璃、聚氨酯胶片粘合层和透明有机材料层依次贴合压紧，升温至20℃～160℃，保温2～6小时后，在蓝宝石复合玻璃和透明有机材料层均匀施加0.1MPa～2.6MPa的压力，保持压力2～20小时，缓慢降至室温，获得单晶蓝宝石防弹玻璃。