CN111006547A - 一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及防弹技术领域，提供了一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，包括具有多层结构的保护层和单层背弹层，所述保护层的外侧面为迎弹面，保护层的内侧面与所述背弹层的外侧面复合，所述保护层的多层结构包括透明气凝胶层、透明晶体层和无机玻璃层。本发明创新性地提出了包含极低密度、高比表面积纳米多孔气凝胶和高强度透明晶体及无机玻璃复合的装甲结构，该结构在受弹丸冲击过程中，通过纳米多孔气凝胶增强应力波衰减和高强度陶瓷破碎的新结构组合大幅度地提升了吸能效率，打破了一味通过增加面密度提升防弹性能的传统设计思路，有效地解决了低面密度和高抗弹性能间矛盾存在的问题，是透明防护装甲领域的一个重要突破。

Description

一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构
技术领域
本发明涉及防弹技术领域，具体涉及一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构。
背景技术
现有防弹透明装甲的结构通常为多层无机玻璃/聚碳酸酯复合结构，具有良好的抗弹性能和光学性能，广泛应用于银行玻璃、高档汽车、装甲车和舰船等。随着科学技术日益进步，对现有装甲的防护性能提出了更高的要求，而提升现有透明防弹装甲的抗弹性能主要通过增加透明装甲的层数和厚度(即面密度)的方式，以提升其遭受弹侵彻过程中的破坏吸能效应，如防12.7口径穿燃弹的透明装甲面密度达200kg/m2，装甲的整体质量过重，虽然这提升了武器装备的防护效能，过重的装甲防护不利于其作战的机动性和整体作战效能的提升，因此，研制出新型的轻质高抗弹性能透明复合装甲是解决这一矛盾的有效途径。
多孔材料由于具有良好的能量吸收特性和能够有效衰减应力波等特点，被广泛应用于具有层合结构的防弹装甲中。气凝胶是一种具有纳米多孔网状结构的低密度材料，其孔隙率高达80％～90％，孔洞尺寸范围为1-100nm，应用于防弹装甲时对其质量的贡献占比极低，甚至可以近似忽略。气凝胶作为一种新型的动能吸收材料在抗冲击和抗弹侵彻等领域表现出了令人欣喜的应用前景，相关研究表明气凝胶/铝合金复合结构中气凝胶起到了良好的吸能效果，能够显著提升防护装甲的抗弹性能。透明气凝胶独特的可见光透光性、高的化学稳定性和热稳定性等综合优势，有望与其它材料通过层合结构设计制造出轻质、高性能透明防护装甲，但是目前鲜有基于气凝胶为吸能层的防弹透明装甲复合结构的相关报道。
发明内容
基于上述背景，本发明提供了一种含透明气凝胶的轻质防弹透明装甲复合结构，将轻质、高透明和具有良好吸能效果的气凝胶应用于研制防弹透明装甲，显著地提高了防弹透明装甲复合结构在低面密度下的吸能效率，有效地解决了低面密度和高抗弹性能矛盾存在的问题，提升了整体结构的抗弹性能。
本发明采用以下的技术方案：
一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，包括具有多层结构的保护层和单层背弹层，所述保护层的外侧面为迎弹面，保护层的内侧面与所述背弹层的外侧面复合，所述保护层的多层结构包括透明气凝胶层、透明晶体层和无机玻璃层。
进一步的，所述保护层的多层结构从迎弹面向内依次为透明气凝胶层、透明晶体层、无机玻璃层或依次为透明晶体层、无机玻璃层、透明气凝胶层、无机玻璃层。
进一步的，所述无机玻璃层为单层或多层无机玻璃。
进一步的，所述多层无机玻璃的整体厚度为5～50mm，单层无机玻璃的厚度为2～16mm。
进一步的，所述透明气凝胶层为具有纳米多孔结构的高透明气凝胶，厚度为1～20mm。
进一步的，所述透明气凝胶层为透明二氧化硅气凝胶。
进一步的，所述透明晶体层为镁铝尖晶石、氮氧化铝和蓝宝石单晶透明陶瓷中的一种的单/多层整片或其多块拼接结构或为单/多层无机玻璃。
进一步的，所述透明晶体层的层厚为3～15mm。
进一步的，所述背弹层为聚碳酸脂、聚酰亚胺、聚氯乙烯等透明高分子材料，背弹层的厚度为3～20mm。
进一步的，所述保护层与背弹层间，及保护层的多层结构的各层间分别放置有透明胶片，将各层进行叠层合片后，通过真空热压复合技术进行层合。
本发明具有的有益效果是：
创新性地提出了包含极低密度、高比表面积纳米多孔气凝胶和高强度透明晶体及无机玻璃复合的装甲结构，该结构在受弹丸冲击过程中，通过纳米多孔气凝胶增强应力波衰减和高强度陶瓷破碎的新结构组合大幅度地提升了吸能效率，打破了一味通过增加面密度提升防弹性能的传统设计思路，有效地解决了低面密度和高抗弹性能间矛盾存在的问题，是透明防护装甲领域的一个重要突破；基于轻质、高透明的多孔气凝胶，设计并制备出一种含透明气凝胶的轻质防弹透明复合装甲结构，在同等防护效能下面密度比传统无机玻璃防弹复合装甲减重至少30％。
附图说明
图1为本发明气凝胶为面层的轻质防弹透明装甲复合结构的整体示意图；
图2为本发明气凝胶为夹层的轻质防弹透明装甲复合结构的整体示意图；
图3为本发明由小尺寸透明晶体拼接成大尺寸透明晶体层的平面示意图；
图4为本发明含透明晶体拼接层的轻质防弹透明装甲复合结构的整体示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的说明：
本发明提出一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，包括具有多层结构的保护层和单层背弹层，保护层的外侧面为迎弹面，保护层的内侧面与背弹层的外侧面复合；保护层的多层结构从迎弹面向内依次为透明气凝胶层、透明晶体层、无机玻璃层或依次为透明晶体层、无机玻璃层、透明气凝胶层、无机玻璃层；其中无机玻璃层为单层或多层无机玻璃；透明晶体层为镁铝尖晶石、氮氧化铝和蓝宝石单晶透明陶瓷中的一种的单/多层整片或其多块拼接结构或为单/多层无机玻璃。背弹层为聚碳酸脂、聚酰亚胺、聚氯乙烯等透明高分子材料，背弹层的厚度为3～20mm。具体实施例如下：
实施例1：
结合图1说明本实施方式，一种含透明气凝胶的轻质防弹透明装甲复合结构，保护层的结构依次为：
迎弹面采用8mm厚度的透明二氧化硅气凝胶(透明气凝胶层1)，将其叠放在厚度为7mm的单层整片蓝宝石单晶(透明晶体层2)上；
上述单层整片蓝宝石单晶(透明晶体层2)向内依次为厚度分别为8mm，6mm和5mm的无机玻璃层3；
最底层的单层背弹层为12mm厚的聚碳酸脂板4；
各层材料之间分别放置厚度为0.8mm的透明胶片，上述各层进行叠层合片完毕后，通过真空热压复合技术进行层合，形成本发明提出的含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构。
实施例2：
结合图2说明本实施方式，一种含透明气凝胶的轻质防弹透明装甲复合结构，保护层的结构依次为：
迎弹面采用的透明晶体层2是厚度为6mm的单层整片透明AlON陶瓷；
将透明晶体层2叠放在厚度为6mm的无机玻璃301上，在其下方叠放厚度为6mm、孔径范围为10～100nm的透明二氧化硅气凝胶(透明气凝胶层1)；
透明二氧化硅气凝胶(透明气凝胶层1)的下面依次叠放厚度分为5mm和6mm的无机玻璃302；
最底层的单层背弹层为12mm厚的聚碳酸脂板4；
各层材料之间分别放置厚度为0.8mm的透明胶片，上述各层进行叠层合片完毕后，通过真空热压复合技术进行层间复合，形成含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构。
实施例3：
结合图3和图4说明本实施方式，一种含透明气凝胶的轻质防弹透明装甲复合结构，保护层的结构依次为：
迎弹面采用10mm厚度的孔径范围在10～100nm范围的透明二氧化硅气凝胶(透明气凝胶层1)，在其下面放置由若干蓝宝石单晶通过透明胶拼接而成的拼接蓝宝石(透明晶体层2)上，单块蓝宝石单晶平面尺寸为50mm×50mm，厚度为6mm，拼接方式如图3所示；
蓝宝石单晶拼接片(透明晶体层2)的下面依次放置厚度为8mm，6mm、6mm和5mm的无机玻璃层3；
最底层的单层背弹层为10mm厚聚碳酸脂板4；
需要说明的是，各层材料之间均分别放置厚度为0.8mm的透明胶片，将上述各层进行叠层合片完毕后，通过真空热压复合技术进行层间复合，含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构。
在本发明中，为了更好地证明本发明在低面密度(轻质)高抗弹性的优点，构建对比例1：将实施例2中的6mm厚透明气凝胶层(1)替换为10mm厚的无机玻璃，采用相同真空热压复合技术进行层间复合。
将实施例1-实施例3以及对比例1进行面密度对比，实施例1～3的面密度分别为92.5kg/m2，77.5kg/m2和96.5kg/m2，对比例1的面密度为100.5kg/m2。
对实施例1-实施例3以及对比例1进行弹道冲击实验，所用弹体为12g尖头弹，弹速分别为490m/s和850m/s进行测试，得到表1的结果：
表1
Figure BDA0002325698370000041
由表1可知，本发明的防弹复合结构与对比例1相比，面密度小，特别是实施例2面密度与实施例1相比减重20％以上，但是具有较高的抗弹性能，主要原因是与对比例1相比，实施例1-实施例3在受弹丸冲击过程中，通过纳米多孔气凝胶增强应力波衰减和高强度陶瓷破碎的新结构组合有效提升了弹靶的吸能效能。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，包括具有多层结构的保护层和单层背弹层，所述保护层的外侧面为迎弹面，保护层的内侧面与所述背弹层的外侧面复合，所述保护层的多层结构包括透明气凝胶层、透明晶体层和无机玻璃层。
2.根据权利要求1所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述保护层的多层结构从迎弹面向内依次为透明气凝胶层、透明晶体层、无机玻璃层或依次为透明晶体层、无机玻璃层、透明气凝胶层、无机玻璃层。
3.根据权利要求2所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述无机玻璃层为单层或多层无机玻璃。
4.根据权利要求3所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述多层无机玻璃的整体厚度为5～50mm，单层无机玻璃的厚度为2～16mm。
5.根据权利要求1所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述透明气凝胶层为具有纳米多孔结构的高透明气凝胶，厚度为1～20mm。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述透明气凝胶层为透明二氧化硅气凝胶。
7.根据权利要求1或2所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述透明晶体层为镁铝尖晶石、氮氧化铝和蓝宝石单晶透明陶瓷中的一种的单/多层整片或其多块拼接结构或为单/多层无机玻璃。
8.根据权利要求7所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述透明晶体层的层厚为3～15mm。
9.根据权利要求1所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述背弹层为聚碳酸脂、聚酰亚胺、聚氯乙烯的透明高分子材料，背弹层的厚度为3～20mm。
10.根据权利要求2所述的一种含透明气凝胶的轻质防弹装甲复合结构，其特征在于，所述保护层与背弹层间，及保护层的多层结构的各层间分别放置有透明胶片，将各层进行叠层合片后，通过真空热压复合技术进行层合。
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