CN105444622A - 一种复合结构防弹板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合结构防弹板及其制造方法，其中，该防弹板包括由表及里依次层叠的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层，各层之间通过粘结剂粘合在一起，整板面密度为50-80kg/m²；其中，支撑层为由至少3块金属板和至少2层纤维预浸料交替铺设复合而成的纤维金属复合材料层合板。本发明的复合结构防弹板，采用纤维金属复合材料层合板作为支撑层，纤维金属复合材料层合板的抗冲击及抗多次打击性能远远高于单纯的纤维增强树脂复合材料层合板或者金属板，可以为陶瓷层提供良好的刚性支撑，使陶瓷发挥其高硬度特性，最大限度破碎弹丸，分散冲击能量，大大提高防护能力。本发明的复合结构防弹板可以广泛应用于轻质防弹装甲领域。

Description

一种复合结构防弹板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种防弹装甲板及其制造方法，尤其涉及一种复合结构防弹板及其制造方法。

背景技术

目前，高性能防弹装甲的目标是在低面密度下能抗击弹丸更大的速度冲击。传统的陶瓷复合防弹板通常以较硬的陶瓷作面板、以韧性良好的金属或纤维增强树脂复合材料做背板，首先将面板和背板单独成型，然后再利用胶黏剂将面板和背板粘接在一起。传统的陶瓷复合防弹板利用陶瓷面板的高强度、高硬度迫使弹丸撞击时发生变形并碎裂，再通过背板对碎片进行捕捉。但传统陶瓷复合防弹板也存在以下问题：①由于陶瓷为脆性材料，防弹板在受到弹丸高速冲击时，陶瓷板作为直接迎弹面，受弹丸冲击后极易发生陶瓷板碎裂、脱落，导致防弹板失效，从而影响其抗多次打击能力；②防弹板在受到子弹高速冲击时，纤维增强树脂复合材料背板中的纤维织物吸能变形，与陶瓷板的粘接处开裂，使陶瓷面板失去支撑而导致防弹性能下降。若使用金属作为背板，防弹板重量增加，且受到弹丸打击时变形能力较弱，对面板的支撑效果不好，影响复合板的整体防弹能力。

例如，美国专利US3859892公开了一种复合陶瓷装甲板，以陶瓷作为面板、玻璃纤维层合板作背板；该复合装甲板在受到子弹的高速冲击时，因为没有高强度的背板作为支撑，陶瓷面板难以保持形状完整而无法继续为使用者提供保护，影响复合装甲板的防弹性能。中国专利CN204007335U公开了一种超高强度、柔韧、轻质的复合软装甲，包括防弹层和底板，其特征在于防弹层和底板之间从上往下依次设有刚玉陶瓷层，高密度纤维层和高韧性陶瓷层，所述高密度纤维层为经过高压定型的含有空气间隙的无机纤维材料层，高韧性陶瓷层为氧化锆基陶瓷，所述底板为金属硬质装甲材料；虽然子弹的能量主要通过陶瓷层来吸收，但是由于氧化锆陶瓷密度大(6.0g/cm³)，导致装甲板整体偏重，而且在子弹的高速冲击下，金属层底板难以提供良好的支撑，从而影响复合装甲的防弹性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新的复合结构防弹板及其制造方法，防弹板的面密度为50-80kg/m²,在较低的面密度(即单位面积重量)情况下，具有较高的防弹性能，可防7.62mm穿甲***和12.7mm穿甲***，可有效提高复合装甲的防弹性能和移动设备的机动能力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种复合结构防弹板，其特征在于，该防弹板包括由表及里依次层叠的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层，各层之间通过粘结剂粘合在一起，整板面密度为50-80kg/m²；其中，所述支撑层为由至少3块金属板和至少2层纤维预浸料交替铺设复合而成的纤维金属复合材料层合板。

所述保护层为高性能纤维机织布或无纬布，其中，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种；所述保护层的面密度为0.1-0.4kg/m²，厚度为0.2-1.0mm。

所述陶瓷层的材料是氧化铝、碳化硅或者碳化硼；所述陶瓷层为一整块陶瓷，或者为柱状或多边形的陶瓷片粘接而成；所述陶瓷层的厚度为10-20mm。

所述吸能层为由经浸润树脂处理的高性能纤维机织布或无纬布制成的层合板，其中，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，所述树脂是聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酯、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛，所述树脂含量占所述机织布或无纬布层合板总重的15-22％；所述吸能层的面密度为2-8kg/m²，厚度为2-8mm。

所述粘结剂为热固或热塑性树脂。

所述金属板由钛合金、镁合金、铝合金或者镁锂合金中的至少一种压制而成；单块所述金属板的厚度为0.1-2.0mm。

所述纤维预浸料为经树脂浸润处理的高性能纤维，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维或者超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，所述树脂是环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺中的一种，所述树脂含量占所述纤维预浸料总重的50-60％；单层所述纤维预浸料的厚度为0.1-0.3mm。

一种复合结构防弹板的制造方法，包括以下步骤：

1)根据复合结构防弹板的设计需要，分别制备需要尺寸和厚度的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层；其中，支撑层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：根据支撑层的需要选择金属板和纤维预浸料用材料的类型、尺寸、厚度及数量；

第二步：采用喷砂工艺对金属板进行表面处理；

第三步：将表面处理后的金属板和纤维预浸料按照金属板/纤维预浸料多层交替的方式进行铺层，金属板至少3块，纤维预浸料至少2层，层与层之间喷涂定型剂定型，从而制成纤维金属复合材料层合板预制体；

第四步：将第三步制得的纤维金属复合材料层合板预制体放置于压机上，采用梯度升温增压法固化，热压成型得到纤维金属复合材料层合板，即支撑层；

2)将步骤1)制备的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层依次铺叠，各层之间用热固或热塑性树脂的粘结剂粘合在一起，再经过热压、固化成型，从而得到复合结构防弹板。

所述第四步中采用梯度升温增压法固化纤维金属复合材料层合板的具体工艺为：先将纤维金属复合材料层合板预制体从室温以低于5℃/min的速率加热至80℃，恒温20～30min；再以相同的升温速率升温至100～140℃，保温2～3h，整个过程压力控制在15～20MPa；最后冷却至室温取出，从而得到光滑平整的纤维金属复合材料层合板。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的复合结构防弹板，采用纤维预浸料和金属板通过一定工艺复合而成的纤维金属复合材料层合板作为支撑层，纤维金属复合材料层合板既具有纤维增强树脂复合材料比强度高、比模量大的特点，同时还具有金属板优良的断裂韧性和抗冲击性能。以碳纤维与镁锂合金复合的纤维金属复合材料层合板为例，纤维金属复合材料层合板密度约为1.50g/cm³，抗拉强度≥1100MPa，拉伸模量≥78.0GPa，而钛合金金属板密度为4.43g/cm³，抗拉强度≥900MPa；在相同面密度下，纤维金属复合材料层合板的抗拉强度约为钛合金金属板的4倍，能够为陶瓷层和吸能层提供很好的刚性支撑，减少复合结构防弹板的变形，提高防护能力。因此，在相同面密度下，纤维金属复合材料层合板作为支撑层具有高的比刚度、比强度以及较高的断裂韧性，其抗冲击及抗多次打击性能远远高于单纯的纤维增强树脂复合材料层合板或者金属板，可以为陶瓷层提供良好的刚性支撑，使陶瓷发挥其高硬度特性，最大限度破碎弹丸，分散冲击能量，从而大大提高防护能力。2、本发明的复合结构防弹板，可以广泛应用于轻质防弹装甲领域，为车辆等提供有效保护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明支撑层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的复合结构防弹板，其包括由表及里依次层叠的保护层1、陶瓷层2、吸能层3和支撑层4，各层之间通过粘结剂5粘合在一起，整板面密度为50-80kg/m²；其中，支撑层4为由至少3块金属板6和至少2层纤维预浸料7交替铺设复合而成的纤维金属复合材料层合板。

上述实施例中，保护层1为高性能纤维机织布或无纬布，其中，高性能纤维可以是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种；保护层1的面密度为0.1-0.4kg/m²，厚度为0.2-1.0mm。

上述实施例中，陶瓷层2的材料可以是氧化铝、碳化硅或者碳化硼，陶瓷层2可以为一整块陶瓷，或者为柱状或多边形的陶瓷片粘接而成；陶瓷层2的厚度为10-20mm。

上述实施例中，吸能层3为由经浸润树脂处理的高性能纤维机织布或无纬布制成的高性能纤维机织布或无纬布层合板，其中，高性能纤维可以是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，树脂可以是聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酯、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛，树脂含量占机织布或无纬布层合板总重的15-22％；吸能层3的面密度为2-8kg/m²，厚度为2-8mm。

上述实施例中，粘结剂5为热固或热塑性树脂，可以是环氧树脂或聚氨酯树脂。

上述实施例中，金属板6由钛合金、镁合金、铝合金或者镁锂合金等轻质合金中的至少一种压制而成；单块金属板6的厚度为0.1-2.0mm。

上述实施例中，纤维预浸料7为经树脂浸润处理的高性能纤维，高性能纤维可以是碳纤维、芳纶纤维或者超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺中的一种，树脂含量占纤维预浸料总重的50-60％；单层纤维预浸料7的厚度为0.1-0.3mm。

本发明通过在陶瓷层2前复合保护层1，减少陶瓷层2受到弹丸高速冲击破碎后碎片的散落；通过在陶瓷层2后复合吸能层3，利用高性能纤维优异的变形吸能特性，缓冲弹丸磨蚀穿透陶瓷后的继续侵彻，提高防弹板对破碎弹丸剩余能量的吸收能力；通过在吸能层3后复合支撑层4，利用支撑层4纤维金属复合材料层合板的高比刚度、比强度以及较高的断裂韧性，并通过层合板材料间的界面分层，吸收弹丸的冲击波能量，使得复合结构防弹板兼顾轻质和高防弹性能，人员及车辆等的战场生存能力及机动性得到很大提高。

本发明的复合结构防弹板的制造方法，包括以下步骤：

1)根据复合结构防弹板的设计需要，分别制备需要尺寸和厚度的保护层1、陶瓷层2、吸能层3和支撑层4。

其中，支撑层4的纤维金属复合材料层合板的制备方法包括以下步骤：

第一步：根据支撑层4的需要选择金属板6和纤维预浸料7用材料的类型、尺寸、厚度及数量。

第二步：采用喷砂工艺对金属板6进行表面处理。首先将金属板6置于50～60℃的丙酮溶液中水浴处理20～30min，以作除油处理；然后将金属板6取出用清水冲洗；采用压送式喷砂机，使用粒度为150目的铝矾土细沙，在0.6～1MPa的喷枪气压下均匀吹扫金属板6表面，持续时间20～30s，直至金属板6表面呈现亚光状。

第三步：将表面处理后的金属板6和纤维预浸料7按照金属板/纤维预浸料多层交替的方式进行铺层，金属板6至少3块，纤维预浸料7至少2层，层与层之间喷涂少量定型剂定型，从而制成纤维金属复合材料层合板预制体。

第四步：将第三步制得的纤维金属复合材料层合板预制体放置于压机上，采用梯度升温增压法固化，热压成型得到纤维金属复合材料层合板。具体工艺为：先将纤维金属复合材料层合板预制体从室温以低于5℃/min的速率加热至80℃，恒温20～30min；再以相同的升温速率升温至100～140℃，保温2～3h，整个过程压力控制在15～20MPa；最后冷却至室温取出，从而得到光滑平整的纤维金属复合材料层合板，即支撑层4。

2)将步骤1)制备的保护层1、陶瓷层2、吸能层3和支撑层4依次铺叠，各层之间用热固或热塑性树脂的粘结剂5粘合在一起，再经过热压、固化成型，从而得到本发明的复合结构防弹板。

下面给出两种具体结构的复合结构防弹板及其应用效果，以进一步说明本发明的复合结构防弹板。

实施例一：

一种复合结构防弹板，尺寸为300×300mm的平板。保护层为芳纶纤维无纬布，厚度为0.2mm，面密度为2.88kg/m²；陶瓷层为15mm厚的碳化硼整板，面密度为37.65kg/m²；吸能层为芳纶纤维无纬布，厚度为5mm，面密度为7.2kg/m²；支撑层为碳纤维预浸料、镁合金金属板通过本发明所述工艺复合而成的纤维金属复合材料层合板，纤维金属复合材料层合板密度为1.64g/cm³，面密度为3.28kg/m²，抗拉强度≥810MPa，拉伸模量≥82.0GPa；其中，镁合金金属板为五块，单块镁合金金属板厚度为0.2mm，碳纤维预浸料四层，单层碳纤维预浸料厚度为0.15mm。保护层、陶瓷层、吸能层、支撑层四种层板之间通过环氧树脂粘合，固化成型，形成复合结构防弹板，整板厚度为22mm，质量为4.59kg，面密度为51kg/m²。该种复合结构防弹板，质量轻，防弹性能好，能有效防止式53式7.62mm穿甲***、12.7mm穿甲***等其他小口径枪弹的贯穿，减小背面弹痕高度并保持陶瓷板整体不碎裂。

实施例二：

一种复合结构防弹板，尺寸为300×300mm的平板。保护层为碳纤维无纬布，厚度为0.2mm，面密度为3kg/m²；陶瓷层为厚18mm的氧化铝陶瓷整板，面密度为52.4kg/m²；吸能层为超高分子量聚乙烯纤维无纬布，厚度为7mm，面密度为6.44kg/m²；支撑层为碳纤维预浸料、镁锂合金金属板通过本发明所述工艺复合而成的纤维金属复合材料层合板，纤维金属复合材料层合板密度为1.50g/cm³，面密度为6kg/m²，抗拉强度≥1100MPa，拉伸模量≥78.0GPa；其中，镁锂合金金属板为五块，单块镁锂合金金属板厚度为0.2mm，碳纤维预浸料四层，单层碳纤维预浸料厚度为0.15mm。保护层、陶瓷层、吸能层、支撑层四种层板之间通过环氧树脂粘合，固化成型，形成复合结构防弹板，整板厚度为27mm，质量为6.1kg，面密度为67kg/m²。该种复合结构防弹板，质量轻，防弹性能好，能有效防止53式7.62mm穿甲***、12.7mm穿甲***等其他小口径枪弹的贯穿，减小背面弹痕高度并保持陶瓷板整体不碎裂。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种复合结构防弹板，其特征在于，该防弹板包括由表及里依次层叠的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层，各层之间通过粘结剂粘合在一起，整板面密度为50-80kg/m²；其中，所述支撑层为由至少3块金属板和至少2层纤维预浸料交替铺设复合而成的纤维金属复合材料层合板。

2.如权利要求1所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述保护层为高性能纤维机织布或无纬布，其中，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种；所述保护层的面密度为0.1-0.4kg/m²，厚度为0.2-1.0mm。

3.如权利要求1或2所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述陶瓷层的材料是氧化铝、碳化硅或者碳化硼；所述陶瓷层为一整块陶瓷，或者为柱状或多边形的陶瓷片粘接而成；所述陶瓷层的厚度为10-20mm。

4.如权利要求1或2所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述吸能层为由经浸润树脂处理的高性能纤维机织布或无纬布制成的层合板，其中，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，所述树脂是聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酯、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛，所述树脂含量占所述机织布或无纬布层合板总重的15-22％；所述吸能层的面密度为2-8kg/m²，厚度为2-8mm。

5.如权利要求1或2所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述粘结剂为热固或热塑性树脂。

6.如权利要求1或2所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述金属板由钛合金、镁合金、铝合金或者镁锂合金中的至少一种压制而成；单块所述金属板的厚度为0.1-2.0mm。

7.如权利要求1或2所述的一种复合结构防弹板，其特征在于，所述纤维预浸料为经树脂浸润处理的高性能纤维，所述高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维或者超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种，所述树脂是环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺中的一种，所述树脂含量占所述纤维预浸料总重的50-60％；单层所述纤维预浸料的厚度为0.1-0.3mm。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的复合结构防弹板的制造方法，包括以下步骤：

1)根据复合结构防弹板的设计需要，分别制备需要尺寸和厚度的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层；其中，支撑层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：根据支撑层的需要选择金属板和纤维预浸料用材料的类型、尺寸、厚度及数量；

第二步：采用喷砂工艺对金属板进行表面处理；

第三步：将表面处理后的金属板和纤维预浸料按照金属板/纤维预浸料多层交替的方式进行铺层，金属板至少3块，纤维预浸料至少2层，层与层之间喷涂定型剂定型，从而制成纤维金属复合材料层合板预制体；

第四步：将第三步制得的纤维金属复合材料层合板预制体放置于压机上，采用梯度升温增压法固化，热压成型得到纤维金属复合材料层合板，即支撑层；

2)将步骤1)制备的保护层、陶瓷层、吸能层和支撑层依次铺叠，各层之间用热固或热塑性树脂的粘结剂粘合在一起，再经过热压、固化成型，从而得到复合结构防弹板。

9.如权利要求8所述的一种复合结构防弹板的制造方法，其特征在于，所述第四步中采用梯度升温增压法固化纤维金属复合材料层合板的具体工艺为：先将纤维金属复合材料层合板预制体从室温以低于5℃/min的速率加热至80℃，恒温20～30min；再以相同的升温速率升温至100～140℃，保温2～3h，整个过程压力控制在15～20MPa；最后冷却至室温取出，从而得到光滑平整的纤维金属复合材料层合板。