一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201610082002.9 | 申请日 | 2016-02-05 | 公开(公告)号 | CN105667019A | 公开(公告)日 | 2016-06-15 |
| 申请人 | 山东中恒碳纤维科技发展有限公司; | 发明人 | 朱波; 曹伟伟; 王永伟; 乔琨; 赵圣尧; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲及其制备方法。该防弹装甲由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式 缓冲层 和 碳 纤维 三维编织整体 框架 四个部分构成，该复合结构防弹装甲采用三维多向织物增强陶瓷基体制备内含锥台形刚性陶瓷拼接圆片的复合刚性防弹板层，可有效提高迎弹面 刚度 ，抵御机枪弹头的重量大、破坏 力 强的特点，同时三维多向织物形成的陶瓷基 复合材料 可有效避免一次机枪弹丸侵彻时造成的裂纹扩展范围较大的问题；同时通过“刚性拼接板，柔性防护板”交替式叠层结构，利用刚性层抵抗弹丸 变形 和柔性层消耗弹丸穿透 能量 的双重作用，达到分级消耗重型机枪弹大量 动能 的目的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲，其特征在于，由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式缓冲层和碳纤维三维编织整体框架四个部分构成； |
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| 说明书全文 | 一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲及其制备方法技术领域背景技术[0002] 虽然在世界范围的大型战争出现的机会较少，但是以国际恐怖活动和国家内部暴乱为特征的小型冲突仍然不断在世界范围内出现。为了抵御这种局部冲突，无论是国家内部的警察还是处理国际争端的士兵在作战过程中都需要某种攻击或行动装备设施，而这其中直升机或装甲车辆的应用就显得尤为重要。随着世界和平的发展，从20世纪60年代开始，世界各国对运输和攻击功能兼备的地空设施——武装直升机或装甲车辆的研究或生产的规模不断提高，但是在对这些应用几率较大的地空设备的防御性能的改善方面却有所忽视，而这种偏向性研发思维也必然带来严重的后果。目前局部冲突中所出现的直升机的坠毁或装甲车辆的损伤大都是遭到恐怖分子或叛乱分子以及地方反动武装所持有的重型武器破坏而造成的。而这些重型武器发射的子弹伤害中，以大口径12.7mm机枪弹为主要特征，而目前针对机枪弹的防护装甲材料的研究国内几乎没有，或者仅仅停留在金属材质的研究领域。 [0003] 金属材质要达到有效防护机枪弹侵彻的目标，必须以牺牲重量为代价，因此需要不断提高金属材质尤其是目前常用的防弹钢材质的厚度才能达到，而防弹钢板自身较大的体密度必然又带来了直升机或装甲车辆重量的提高，若达到能够防护机枪弹侵彻的水平，则会大大牺牲作战设备的载重性和机动性，这使得研究变得毫无意义。 [0004] 面对这种情况，研究者开始尝试非金属材料防护装甲的探索实验，而通过研究发现，采用单一材质制备能够防护重型机枪弹的防护装甲几乎不太可能，首先高性能纤维复合材料自身的硬度和刚度不够，纤维本身的物理特性使得它在重型机枪弹的侵彻过程中变得如螳臂当车；而非金属陶瓷材料虽然硬度和刚度较高，但是当重型机枪弹丸侵彻时会发生整体碎裂，而无法抵御连续弹丸的破坏。所以单一材质的重型机枪防护装甲的研究需要进行一次思路的彻底革新。 发明内容[0005] 为解决现有技术存在的问题，本发明基于三维多向织物增强复合材料结构，设计了一种混杂纤维(UHMWPE纤维、碳纤维、芳纶纤维)增强树脂基三维结构复合材料装甲与无机纤维(碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维等)增强陶瓷基三维结构复合材料装甲交替组合的复合防弹装甲，将通过三维多向织物结构有效提高陶瓷材质的不耐碎裂的弊端以及有机纤维的低刚性的问题，通过复合式组合结构设计，同时发挥多种材料的物理特性，制备出一种可防御机枪弹的轻质复合结构防弹装甲板，对提高军用或警用设备，尤其是对武装直升机或装甲车辆防护重机枪弹丸侵彻、降低设施重量、提高作战机动性和载重量具有重要意义。 [0006] 本发明的目的是提供一种可有效抵御机枪弹、尤其是大口径12.7mm重型机枪弹的复合结构防弹装甲的制备方法，能够得到轻质、环境适应性强、刚性较高、寿命较长的多材质复合的交替组合式重型防弹装甲。 [0007] 本发明采取的技术方案为： [0009] 三维编织刚性拼接防护板层由高性能陶瓷基体与高性能陶瓷纤维三维织物预制体复合成型，高性能陶瓷纤维三维织物预制体内嵌锥台形刚性陶瓷拼接片； [0010] 三维编织柔性防护板层由混杂纤维三维织物预制体与高性能热塑性树脂复合成型； [0011] 三维编织刚性拼接防护板层与三维编织柔性防护板层交替叠层形成交替组合结构，在交替组合结构的背弹面设置拼接式缓冲层； [0012] 三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层与拼接式缓冲层作为整体嵌入三维编织碳纤维整体框架，加入高性能树脂与碳纤维三维织物复合，形成复合结构防弹装甲。 [0013] 其中，优选的，本发明所述的三维编织刚性拼接防护板层的制备中，高性能陶瓷纤维三维织物预制体所用的高性能陶瓷纤维选自碳化硅、氮化硅、碳化硼、氧化铝、二氧化硅、氮化硼等材质陶瓷纤维中的一种或多种；高性能陶瓷纤维三维织物预制体中利用不同的三维编织工艺将上述纤维形成多向立体织物。 [0014] 所述的高性能陶瓷纤维三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向等不同编织结构。 [0015] 在高性能陶瓷纤维三维织物预制体中嵌入锥台形刚性陶瓷拼接片，通过拼接组合方式嵌入三维织物内部与之形成连续结构。 [0016] 所述的陶瓷拼接片所用材质选自碳化硅、氮化硅、碳化硼、氧化铝、二氧化硅、氮化硼等陶瓷材质中的一种或多种，优选的，该陶瓷拼接片的单片采用上窄下宽的圆锥台形结构圆片，圆片的尺寸根据要求灵活调整。 [0017] 所述的三维编织刚性拼接防护板层，通过上述嵌入锥台形刚性陶瓷拼接片的高性能陶瓷纤维三维织物预制体与高性能陶瓷基体复合形成整体复合材料结构，所用的高性能陶瓷基体选用高性能氧化铝粉体热压成型；其中高性能陶瓷基体占三维编织刚性拼接防护板层整体的含量不超过50％。 [0018] 其中，所述的三维编织柔性防护板层制备中，采用高性能有机纤维与碳纤维混杂制备三维织物预制体，将高性能热塑性树脂与上述混杂纤维三维织物预制体浸渍之后模压成型；优选的，三维编织柔性防护板层中的树脂含量不超过40％，增强织物中碳纤维占混杂纤维的百分比不超过50％。 [0019] 所述的三维编织柔性防护板层所用的混杂纤维中，高性能有机纤维选自UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种或两种，碳纤维选自高强型碳纤维(T300、T700、T800等)或高模量碳纤维中的一种或两种。 [0020] 所述的混杂纤维三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向等不同编织结构。 [0021] 所述的高性能热塑性树脂包括热塑性聚氨酯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂中的任意一种。 [0022] 其中，所述三维编织刚性拼接防护板层与三维编织柔性防护板层交替叠层中，通过交替式组合设计将上述三维编织刚性拼接防护板层和三维编织柔性防护板层形成整体结构，采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板……”交替式叠层结构，其中刚性拼接板层与柔性防护板层的应用比例为1：1，两种板材的最终使用数量根据防护要求和应用装配要求灵活调整；优选的，交替叠层刚性拼接板层与柔性防护板层各铺叠至少2层，或至少3层、至少4层、至少5层。 [0024] 其中，所述的三维编织碳纤维整体框架用于将上述维编织刚性拼接防护板层和三维编织柔性防护板层交替叠层形成的交替组合结构以及背弹面方向的拼接式缓冲层作为整体嵌入，最终通过高性能树脂的真空导入成型，使复合结构防弹装甲形成整体制件，可有效抵御12.7mm机枪弹的侵彻，达到极高的防护水平。 [0025] 所述的三维编织碳纤维整体框架所用的碳纤维选自高强型T300、T700、T800等中的一种或多种组合；三维编织碳纤维整体框架所用的三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其它三维多向等不同编织结构；所用的高性能树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种；最终三维编织碳纤维整体框架中的树脂含量不超过50％。 [0026] 防弹装甲中增强体、基体都对复合材料防弹性能产生影响，而界面和防弹复合材料的结构设计同样对防弹性能产生影响。子弹侵彻防弹装甲复合材料的过程中，包含多种不同的破坏模式，比如纤维的拉伸破坏、纤维和树脂的脱粘、层合板的分层以及背凸的产生等。发明人通过研究发现本发明的材料及结构的组合可以有效的提升整体性能，可以有效抵御12.7mm重型机枪弹的侵彻。 [0027] 其次，本发明提供所述抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲的制备方法，包括： [0028] 步骤1)利用高性能陶瓷纤维制备三维织物预制体，在高性能陶瓷纤维三维预织物制体内嵌入锥台形刚性陶瓷拼接片，之后以高性能陶瓷基体与高性能陶瓷纤维三维织物预制体复合成型，形成三维编织刚性拼接防护板层； [0029] 步骤2)利用高性能有机纤维与碳纤维混杂制备混杂纤维三维织物预制体，利用该三维织物预制体与高性能热塑性树脂进行复合成型制备三维编织柔性防护板层； [0030] 步骤3)通过交替式组合设计将三维编织刚性拼接防护板层和三维编织柔性防护板层交替叠层，在交替叠层结构的背弹面设置拼接式缓冲层； [0031] 步骤4)待上述结构完成后，将其整体嵌入预先制备好的三维编织碳纤维整体框架中，再通过高性能树脂与碳纤维三维织物复合，最终形成复合结构防弹装甲整体制件。 [0032] 本发明的有益效果是： [0033] (1)采用三维多向织物增强陶瓷基体制备内含锥台形刚性陶瓷拼接片的复合刚性防护板层，该层采用了三维多向陶瓷纤维织物，可有效提高迎弹面刚度，抵御机枪弹头的重量大、破坏力强的特点，同时多向织物形成的陶瓷基复合材料可有效避免一次机枪弹丸侵彻时造成的裂纹扩展范围较大的问题，保证连续机枪弹射击中，复合结构防弹装甲的持续防护性能。 [0034] (2)采用了高性能混杂纤维与热塑性树脂复合制备的三维编织柔性防护板层，其结构采用了混杂有机纤维和碳纤维的三维多向织物预制体，提高了树脂基复合材料柔性防弹板的整体刚度，有效避免了防弹变形量大的问题。 [0035] (3)通过交替式组合设计将三维编织刚性拼接防护板层和三维编织柔性防护板层形成整体结构，采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板……”交替叠层结构，利用刚性层抵抗弹丸变形和柔性层消耗弹丸穿透能量的双重作用，达到分级消耗重型机枪弹大量动能的目的。附图说明 [0036] 图1一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲的结构示意图 [0037] 其中，1-三维编织刚性拼接防护板层，2-锥台形刚性陶瓷拼接片，3-三维编织柔性防护板层，4-拼接式缓冲层，5-碳纤维三维编织整体框架 具体实施方式[0038] 下面结合实施例进一步说明。 [0039] 实施例1 [0040] 一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式缓冲层和碳纤维三维编织整体框架四个部分构成。 [0041] 第一，三维编织刚性拼接防护板层的制备：利用碳化硅作为三维立体织物增强纤维长丝，采用三维四向形式制备三维多向增强织物预制体，在预制体制备过程中内嵌入碳化硅陶瓷材质的锥台圆形陶瓷拼接片，三维多向增强织物预制体制备完成后，陶瓷基体与三维多向增强织物预制体复合成型，陶瓷基体占三维编织刚性拼接防护板层整体的含量为50％。 [0042] 第二，三维编织柔性防护板层的制备：利用UHMWPE纤维与T300碳纤维混杂作为柔性防护板层的增强织物原料，其中碳纤维占混杂纤维总体比例为40％，采用三维五向三维编织工艺制备混杂纤维织物预制体，采用聚氨酯树脂作为柔性防护板层中的树脂基体，最终柔性防护板中的树脂含量为40％，将上述热塑性树脂与混杂纤维三维织物预制体浸渍之后模压成型制备柔性防护板层。 [0043] 第三，交替式组合结构设计及缓冲层组合：采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板……”交替式叠层结构，其中刚性拼接板层与柔性防护板层各铺叠四层，在背弹面使用EVA泡沫小尺寸拼接软垫组合成拼接式缓冲层，拼接式缓冲层厚度为20mm。 [0044] 第四，三维编织碳纤维整体框架制备及组装：三维编织碳纤维框架采用高强型T700碳纤维作为增强织物，采用三维六向预制体结构，选用环氧树脂作为树脂基体，将上述交替式组合板整体与缓冲层一并嵌入预先制备好的三维编织碳纤维整体框架中，最终三维编织碳纤维整体框架中的树脂含量为50％，最终形成复合结构防弹装甲整体制件。该防弹装甲可有效抵御12.7mm机枪弹的侵彻。 [0045] 实施例2 [0046] 一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式缓冲层和碳纤维三维编织整体框架四个部分构成。 [0047] 第一，三维编织刚性拼接防护板层的制备。利用碳化硼作为三维立体织物增强纤维长丝，采用三维六向编织形式制备三维多向增强织物预制体，在预制体制备过程中内嵌入碳化硅陶瓷材质的锥台圆形陶瓷拼接片。三维多向增强织物预制体制备完成后，陶瓷基体与三维多向增强织物预制体复合成型，陶瓷基体占三维编织刚性拼接防护板层整体的含量为30％。 [0048] 第二，三维编织柔性防护板层的制备。利用芳纶纤维与T800碳纤维混杂作为柔性防护板层的增强织物原料，其中碳纤维占混杂纤维总体比例为30％，采用三维七向编织工艺制备混杂纤维织物预制体，采用聚乙烯树脂作为柔性防护板层中的树脂基体，最终柔性防护板层中的树脂含量为38％，将上述热塑性树脂与混杂纤维三维织物预制体浸渍之后模压成型制备柔性防护板层。 [0049] 第三，交替式组合结构设计及缓冲层组合。采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板”交替式叠层结构，其中刚性拼接板层与柔性防护板层各铺叠四层，在背弹面使用硅胶小尺寸拼接软垫组合，缓冲层厚度为10mm。 [0050] 第四，三维编织碳纤维整体框架制备及组装。三维编织碳纤维框架采用高强型T700碳纤维作为增强织物，采用三维五向预制体结构，选用环氧树脂作为树脂基体，将上述交替式组合板整体与缓冲层一并嵌入预先制备好的三维编织碳纤维整体框架中，最终三维编织碳纤维整体框架中的树脂含量为42％，最终形成复合结构防弹装甲整体制件，可有效抵御12.7mm机枪弹的侵彻。 [0051] 实施例3 [0052] 一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式缓冲层和碳纤维三维编织整体框架四个部分构成。 [0053] 第一，三维编织刚性拼接防护板层的制备。利用碳化硼作为三维立体织物增强纤维长丝，采用三维四向编织形式制备三维多向增强织物预制体，在预制体制备过程中内嵌入氧化铝陶瓷材质的锥台形陶瓷拼接片。三维多向增强织物预制体制备完成后，陶瓷基体与三维多向增强织物预制体复合成型，陶瓷基体占三维编织刚性拼接防护板整体的含量为43％。 [0054] 第二，三维编织柔性防护板层的制备。利用UHMWPE纤维与T300、T700、T800碳纤维混杂作为柔性防护板层的增强织物原料，其中碳纤维占混杂纤维总体比例为45％，采用三维七向编织工艺制备混杂纤维织物预制体，采用聚酰胺树脂作为柔性防护板层中的树脂基体，最终柔性防护板层中的树脂含量为38％，将上述热塑性树脂与混杂纤维三维织物预制体浸渍之后模压成型制备柔性防护板层。 [0055] 第三，交替式组合结构设计及缓冲层组合。采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板”交替式叠层结构，其中刚性拼接板层与柔性防护板层各铺叠五层，在背弹面使用聚氨酯泡沫小尺寸拼接软垫组合，缓冲层厚度为12mm。 [0056] 第四，三维编织碳纤维整体框架制备及组装。三维编织碳纤维框架采用高强型T300碳纤维作为增强织物，采用三维六向预制体结构，选用不饱和聚酯树脂作为树脂基体，将上述交替式组合板整体与缓冲层一并嵌入预先制备好的三维编织碳纤维整体框架中，最终三维编织碳纤维整体框架中的树脂含量为46％，最终形成复合结构防弹装甲整体制件，可有效抵御12.7mm机枪弹的侵彻。 [0057] 实施例4 [0058] 一种抵御机枪弹侵彻的复合结构防弹装甲由三维编织刚性拼接防护板层、三维编织柔性防护板层、拼接式缓冲层和碳纤维三维编织整体框架四个部分构成。 [0059] 第一，三维编织刚性拼接防护板层的制备。利用氮化硼作为三维立体织物增强纤维长丝，采用三维四向编织形式制备三维多向增强织物预制体，在预制体制备过程中内嵌入氮化硼等陶瓷材质的锥台形陶瓷拼接片。三维多向增强织物预制体制备完成后，陶瓷基体与三维多向增强织物预制体复合成型，陶瓷基体占三维编织刚性拼接防护板整体的含量为36％。 [0060] 第二，三维编织柔性防护板层的制备。利用UHMWPE纤维与T800碳纤维混杂作为柔性防护板层的增强织物原料，其中碳纤维占混杂纤维总体比例为35％，采用三维五向编织工艺制备混杂纤维织物预制体，采用聚氨酯树脂作为柔性防护板层中的树脂基体，最终柔性防护板层中的树脂含量为33％，将热塑性树脂与混杂纤维三维织物预制体浸渍之后模压成型制备柔性防护板层。 [0061] 第三，交替式组合结构设计及缓冲层组合。采用“刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板，刚性拼接板，柔性防护板”交替式叠层结构，其中刚性拼接板层与柔性防护板层各铺叠六层，在背弹面使用硅胶小尺寸拼接软垫组合，缓冲层厚度为18mm。 [0062] 第四，三维编织碳纤维整体框架制备及组装。三维编织碳纤维框架采用高强型T300碳纤维作为增强织物，采用三维五向预制体结构，选用酚醛树脂作为树脂基体，将上述交替式组合板整体与缓冲层一并嵌入预先制备好的三维编织碳纤维整体框架中，最终三维编织碳纤维整体框架中的树脂含量为47％，最终形成复合结构防弹装甲整体制件，可有效抵御12.7mm机枪弹的侵彻。 |
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