用高度性能不匹配界面材料来降低冲击和损伤的装甲,盾牌和头盔

申请号 CN201580067289.1 申请日 2015-12-07 公开(公告)号 CN107000345A 公开(公告)日 2017-08-01
申请人 荦愚·罗伊·徐; 发明人 荦愚·罗伊·徐;
摘要 本 发明 说明书 展示用高度性能不匹配界 面层 来设计(材料和界面的不匹配程度超过60%)装甲/盾牌/头盔,因此对外部动态 载荷 (爆炸,锋利外来物的冲击)提供保护。减少冲击 力 和损伤的机制是使用柔软和延展性界面/ 粘合剂 层的特定材料设计。他们可以被用来:1)粘合或 支撑 其他层/材料,2)减少 应力 波传输和冲击力,3)降低界面后内部层的剪切 变形 ,以及4)沿着装甲/盾牌/头盔表面耗散更多的爆炸和冲击 能量 。因此,较少的能量用于穿透装甲/盾/头盔造成损坏。
权利要求

1.一种用于个人或车辆保护装置的层合结构,其包括:由第一种材料制成的第一层;由第二种材料制成的第二层。第二层是经受外部负载的外层。以及由第三种材料制成的第三层。其中第一层位于第二和第三层之间,并与第二和第三层接触。第一和第二种材料之间的声阻抗不匹配大于60%。声阻抗不匹配定义为IM=(P-1)/(P+1),其中P定义为其中EA是第一种材料的杨氏模量,EB是第二种材料的杨氏模量,ρA是
第一种材料的密度,ρB是第二种材料的密度。
2.根据权利要求1所述的层合结构,其中所述第一和第二种材料之间的声阻抗不匹配大于80%。
3.根据权利要求1所述的层合结构,其中所述第一层是和第二第三层一起接触的粘合剂或非粘合剂。
4.根据权利要求1所述的分层结构,其中所述第二和第三种材料是相同的材料或不同的材料。
5.根据权利要求4所述的层状结构,其中所述第二种材料选自Homalite-100,Plexiglas,聚酸酯和凯夫拉。
6.根据权利要求5所述的层状结构,其中所述第一种材料选自Loctite 5083和橡胶
7.根据权利要求1所述的分层结构,其中所述第二层具有不均匀的厚度。
8.根据权利要求1所述的分层结构,其中所述第一层具有弯曲形状。
9.根据权利要求1所述的层状结构,其中所述第一层的厚度大于10μm。
10.根据权利要求1所述的分层结构,还包括由所述第一种材料制成的第四层和第三种材料制成的第五层。
11.一种用于个人保护装置的分层结构,包括:由第一种材料制成的第一层;由第二种材料制成的第二层;和由第三种材料制成的第三层。其中第一层位于第二和第三层之间,并且与第二和第三层接触。第一和第二种材料之间的剪切模量不匹配大于60%。剪切模量不匹配定义为:
其中μA是第一种材料的剪切模量,μB是第二种材料的剪切模量。EA是第一种材料的杨氏模量,EB是第二种材料的杨氏模量,vA是第一种材料的泊松比,vB是第二种材料的泊松比。
12.根据权利要求11所述的层合结构,其中所述第一和第二种材料之间的剪切模量不匹配大于80%。
13.根据权利要求11所述的层合结构,其中所述第一层是和第二第三层一起接触的粘合剂或非粘合剂。
14.根据权利要求11所述的分层结构,其中第二种材料和第三材料是相同的材料或不同的材料。
15.根据权利要求14所述的层状结构,其中所述第二种材料选自Homalite-100,Plexiglas,聚碳酸酯和凯夫拉织物。
16.根据权利要求5所述的层状结构,其中所述第一种材料选自Loctite 5083和硅橡胶。
17.根据权利要求11所述的分层结构,其中所述第二层具有不均匀的厚度。
18.根据权利要求11所述的分层结构,其中所述第一层具有弯曲形状。
19.根据权利要求11所述的层状结构,其中所述第一层的厚度大于10μm。
20.根据权利要求11所述的分层结构,还包括由第一种材料制成的第四层和由第三种材料制成的第五层。

说明书全文

用高度性能不匹配界面材料来降低冲击和损伤的装甲,盾

牌和头盔

[0001] 荦愚·罗伊·徐
[0002] 发明背景

技术领域

[0003] 本发明涉及一种用于装甲,盾牌和头盔的材料系统。它具有高度性能不匹配的界面层,以减少由外部动态载荷(如爆炸和冲击)引起的冲击力和损伤。
[0004] 发明背景
[0005] 装甲,盾牌和头盔通常采用单一材料,如或聚酸酯,或混合材料,如组合陶瓷和纤维复合材料。在混合的材料之间,界面材料如胶层经常被使用。
[0006] 概要
[0007] 界面通常指在相邻区域,物体,物质或相之间形成公共边界的表面。如本专利文本中所使用的术语,界面是指两种材料之间的表面或层,可以传递某种力,例如压力。界面可以具有零厚度或很小的厚度,例如将两种材料粘合在一起的薄胶层。以前装甲,盾牌和头盔的设计主要集中在选择防弹防爆,抗冲击或抗刺的材料和布局。很少的设计使用增强界面来提高整体性能。本发明的目的是使用特殊的界面设计,这样新的装甲,盾牌和头盔可以消耗更多的外部能量并减少动态损伤。为了简洁起见,在本专利文本中,装甲,盾牌,头盔等被统称为个人保护装置,或简称为“盾牌”。但是它们可有各种物理形式。新的盾牌也可用于车辆中,如车辆装甲。此外,术语“冲击”指各种类型的冲击,例如从爆炸,子弹,锋利的异物如刀等产生的冲击。
[0008] 常规盾牌采用单一材料,例如钢或聚碳酸酯,或混合材料,例如组合陶瓷和纤维复合材料。在不同的材料和层之间,经常使用界面材料如粘合剂层。本发明的实施例提供有效的界面设计,使得界面不仅提供诸如粘合等基本功能,而且可以增加能量耗散,并减少盾牌的损坏。即使对于均匀的装甲材料如聚碳酸酯和有机玻璃,如果将特定的界面置入这些硬聚合物内,其动态力学性能也会显着提高。本发明的技术(界面设计)比现有技术(混合材料设计)更有效。盾牌,头盔适合军人,警察和平民(如足球运动员,学生和旅客)。用户的好处包括价钱合理的身体/头部个人保护。
[0009] 本发明的其他特征和优点将在下面的描述中阐述,并且将从描述中变得显而易见,或者可以通过本发明的实施例来了解。本发明的目的和优点将通过书面说明,权利要求书,以及附图中来实现和获得。
[0010] 如实施例描述,为了实现设计目的,本发明提供一种用于个人或车辆保护装置的层合结构。其包括:由第一种材料制成的第一层;由第二种材料制成的第二层。第二层是经受外部负载的外层。以及由第三种材料制成的第三层。其中第一层位于第二和第三层之间,并与第二和第三层接触。第一和第二种材料之间的声阻抗不匹配大于60%。声阻抗不匹配定义为IM=(P-1)/(P+1),其中P定义为 其中EA是第一种材料的杨氏模量,EB是第二种材料的杨氏模量,ρA是第一种材料的密度,ρB是第二种材料的密度。
[0011] 另一方面,本发明提供一种用于个人或车辆保护装置的层合结构。其包括:由第一种材料制成的第一层;由第二种材料制成的第二层。第二层是经受外部负载的外层。以及由第三种材料制成的第三层。其中第一层位于第二和第三层之间,并与第二和第三层接触。第一和第二种材料之间的剪切模量不匹配大于60%。剪切模量不匹配定义为:
[0012]
[0013] 其中μA是第一种材料的剪切模量,μB是第二种材料的剪切模量。EA是第一种材料的杨氏模量,EB是第二种材料的杨氏模量。vA是第一种材料的泊松比,以及vB是第二种材料的泊松比。
[0014] 应当理解,上述一般描述和以下详细描述都是示例性和说明性的,旨在提供对所要求保护的发明的进一步说明。

附图说明

[0015] 图1A表示根据本发明一实施例,即针对刀刺的具有多个界面的盾牌。
[0016] 图1B表示采用三种材料具有多层的盾牌单元横截面图。
[0017] 图2A表示受抛射物冲击的盾牌单元横截面图(显示应力波)。
[0018] 图2B表示受抛射物冲击的盾牌单元另一横截面图(显示冲击损伤)。
[0019] 图3A表示受抛射物冲击的盾牌单元横截面图,其中抛射物轨迹垂直于界面表面。
[0020] 图3B表示受抛射物冲击的盾牌单元横截面图,其中抛射物沿着具有入射θ的倾斜轨迹进行撞击。
[0021] 图4表示具有不同抛射物轨迹的盾牌单元横截面图,以说明盾牌的工作原理。
[0022] 图5A表示根据本发明的另一个实施例:具有多个直界面的盾牌横截面图。
[0023] 图5B表示根据本发明的另一实施例:具有相对于盾牌表面倾斜界面的横截面图。
[0024] 图5C表示根据本发明的另一实施例:具有对称倾斜界面层的盾牌横截面图。
[0025] 图5D表示根据本发明的另一实施例:具有多个弯曲界面层的盾牌横截面图。
[0026] 图6A表示根据本发明另一实施例:用粘合剂粘合的两薄装甲板。
[0027] 图6B表示根据本发明另一实施例:用粘合剂粘合的两块正方形装甲板。
[0028] 图6C表示根据本发明的另一个实施例:用两个粘合剂层粘合的三块薄装甲板。
[0029] 图7A表示一冲击后有两个粘合剂层的聚合物板。它仅在外层中有冲击损坏(冲击速度20米/秒)。
[0030] 图7B表示另一个冲击后有两个粘合剂层的聚合物板。它仅在外层中有冲击损坏(冲击速度46米/秒)。
[0031] 图8A表示根据本发明的另一实施例:在第十二和第十三层之间有界面层的30层凯夫拉防弹盾牌。
[0032] 图8B表示在被两个子弹击中后图8A防弹盾牌的拆解形状。
[0033] 图9A表示本发明实施例:可以折叠的两个盾牌单元。
[0034] 图9B表示两个折叠盾牌单元形成的临时头盔,以保护人的头部。

具体实施方式

[0035] 图1A表示根据本发明实施例盾牌1的代表性单元。它具有多层,以抵抗来自抛射体或锋利物体2的冲击(图中表示刀)。虽然盾牌的形状可以是圆形或多边形,但典型形状为矩形。其长度和宽度由实际应用确定。如果盾牌被用作背包的插入物,其典型尺寸是250mm×300mm。如果用作头盔来保护人的头部,则盾牌具有较大的曲率。为了示意,在本文中只展示平面盾牌单元。如果盾牌设计原理用于军警头盔,外部动态载荷通常指爆炸,子弹和碎片引起的载荷。如果盾牌设计原理用于运动头盔,摩托车头盔或其他头盔以保护平民,则作用于头盔的冲击负载通常指地面,地面上硬物,以及其他人的头盔。
[0036] 通常盾牌上的冲击载荷会导致两种结果:1)如果冲击能量低,例如两个美式足球头盔的碰撞,则头盔只有纯弹性变形或不损坏。然而,即使头盔没有损伤,脑震荡也可能发生。2)如果冲击能量高,如军警头盔受到快速和尖锐的异物冲击,头盔会产生塑性变形和损伤。对于1),关键保护目标是限制最大冲击力并减少剪切变形,对于2),关键保护目标是阻止穿透并减少背面变形。
[0037] 图1B表示采用三种材料具有多层的盾牌单元横截面图。材料A(层3)是具有所需材料性能的粘合剂。它形成与其它层接触的界面层。材料B(层4)和材料C(层5)提供抗冲击阻力。根据装甲材料(材料B和C)和威胁等级,盾牌至少有两层形成一个界面,或多于两层。
[0038] 典型粘合剂材料A包括树脂,聚酯和满足稍后描述的性能不匹配的其它粘合剂。典型材料B和C包括聚碳酸酯和聚乙烯,由高抗拉强度纤维制成的织物,例如芳族聚酰胺纤维或聚乙烯纤维,陶瓷和金属。材料B和C可以是相同的材料或不同的材料。材料B是承受动态载荷外层4的材料。材料C是面向被保护人或车辆的内层5的材料。
[0039] 盾牌的保护能力主要来自抗冲击材料B和C,它们的厚度和界面设计。例如,如果仅使用芳族聚酰胺(凯夫拉)织物来满足美国国家司法研究所(NIJ)IIIA级保护标准,芳族聚酰胺织物层(材料B和材料C)的总厚度应至少为6毫米。
[0040] 本发明实施例的主要特点是设计和选择界面材料A以增加盾牌能力,而不改变耐冲击材料B和C。图2A表示承受抛射物6冲击盾牌的横截面图。抛射物6可以是子弹(如图2A所示),刀等。外层4(即面向抛射物的层)有更多的应力波7,但内层5(即界面层后面的层)有较少的应力波8。
[0041] 一维应力波模型表明:由于界面材料声阻抗(材料密度和材料声波的乘积)的显著降低,只有少量的入射应力波传递到内层A。应力波在材料B/A和A/C之间的两个材料边界反射之后,内层中的透射应力与外层中的入射应力之比可表示为(公式(1)):
[0042]
[0043] 其中E和ρ是各种材料的杨氏模量和密度(或比重)。如果材料B和C是相同的材料,声阻抗比可以定义为 两种材料的声阻抗不匹配可定义为IM=(P-1)/(P+1)。表1显示了发明人所做冲击实验的一些材料组合的声阻抗不匹配。
[0044] 对于表1所示的前两种材料组合,它们声阻抗不匹配低(小于35%)。因此,它们的透射应力比相当高,并且粘合剂层对内层没有任何保护作用。对于表1所示的其余材料组合,声阻抗不匹配均超过94%,所以透射应力比非常低(小于11%)。因此,Loctite 5083粘合剂/聚合物Homalite,Loctite 5083/有机玻璃,Loctite 5083/聚碳酸酯,硅橡胶/芳纶织物的四种材料组合都显示出对内层的有效保护。这些都是盾牌的材料组合示例。
[0045] Loctite 330,384和5083是由美国Henkel公司(Rocky Hill,CT)生产的粘合剂。Homalite-100是由美国Brandywine Investment Group公司(Wilmington,DE)制造的热固性聚酯材料。有机玻璃是聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的商品名。Kevlar(凯夫拉)是美国杜邦公司的对位芳族聚酰胺合成纤维的注册商标。硅橡胶是由含有硅的硅与碳,氢和氧组成的弹性体(橡胶状材料),它可用作粘合剂。
[0046] 表1.材料性能不匹配比较
[0047]
[0048] 通常,应力波传输到内层中优选地小于50%,更优选地小于10%的。因此材料B的声阻抗应至少为材料A的(粘合剂)6倍(对于λ<50%),优选地为38倍(对于λ<10%)。就两种材料A和B的声阻抗不匹配IM而言,推荐的高声阻抗不匹配为60%至99%,优选地为80%至99%。此外,如果材料B和粘合剂A的密度相同,假如材料B的杨氏模量为材料A的34倍,则内层内的应力波将比外层内的应力波小50%,优选地为材料A的1,444倍(对于λ<10%)。由于材料组合的性能主要由相对材料性能(无量纲)决定,因此我们不需要列材料的具体参数。对于乙酰氧基硅氧烷作为材料A,硬质聚合物作为材料B的典型盾牌,如表1所示,应力波透过率λ可以小于11%。因此图2B表示外层具有冲击损伤9,但由于较少的应力波传输,内层没有损伤。这个结果也包括其他机制如高剪切模量不匹配。为了确保两个界面处的应力波反射,界面(材料A)的最小厚度应为10μm。除了应用限制之外,界面层没有最大厚度。
[0049] 为了评估混合材料的静态材料性能不匹配,两个Dundurs参数(由两个粘结材料的弹性常数计算出的两个无量纲参数)表示如下(公式(2)和(3))):
[0050]
[0051]
[0052] 这里μA是材料A的剪切模量,μB是材料B的剪切模量。对于平面应变变形,m=4(1-v),v是泊松比。对于平面应力变形,m=4/(1+v)。这两个参数表示粘合材料的杨氏模量不匹配和体积模量不匹配。它们是界面应力分布和断裂的关键静态参数。对于界面动力学,如公式(1)和表1所示,两种材料的声阻抗不匹配对于设计盾牌更为重要。公式(2)和(3)中包括剪切模量,但其在盾牌设计中的作用从未被探索过。
[0053] 图3A表示受抛射物冲击6的盾牌单元横截面图,其中抛射物轨迹10垂直于界面表面。箭头10表示抛射物6的轨迹。抛射物将沿着最短距离(垂直于盾牌表面)转换其最大动能,使得盾牌后面的目标被快速击中。另一方面,为了击毁抛射物,本实施例的新盾牌设计需要改变抛射物轨迹。这样抛射物沿着更长的轨迹穿透,消耗更多的动能,最后对目标穿透时具有较少的能量。
[0054] 图3B表示受抛射物冲击的盾牌单元横截面图,其中抛射物沿着具有入射角θ的倾斜轨迹11进行撞击。入射角定义为在接触盾牌外层之前,盾牌表面的法线与抛射物轨迹之间的角度。类似的参数是在接触界面之前,界面层和抛射物轨迹之间的入射角。如果粘合剂层平行于盾牌表面,并且抛射物轨迹是一条直线,这两个角度是相同的。在该实施例中,抛射物入射角仅指相对于界面层的入射角。
[0055] 图4表示两个具有不同抛射物轨迹的盾牌单元横截面图,以说明盾牌的工作原理。该图仅显示平变形,而不是包括垂直变形的全部变形。为了避免拥挤,图4中的横截面仅显示了大盾牌的一部分。
[0056] 原始轨迹12表示在均质装甲材料(例如钢)或其他层状混合材料内的抛射物轨迹(即没有高度性能不匹配界面层)。当存在界面层时,由于沿着盾牌表面(X方向)作用在外层上的冲击力分量FX,外层通过界面具有相对于内层的水平位移,因此消耗了抛射物的一些动能。本发明的实施例利用这种机制来设计更有效的盾牌。
[0057] 这种机制类似于船在池塘里的运动。如果一块石头以倾斜的角度击中船,则冲击力垂直分量FY倾向于沉没船(类似于穿透盾牌)。但冲击力水平分量FX往往会使船滑动。如果石头停止在船内,其动能将更多地消耗在池塘表面方向,所以较少沿着垂直方向来击沉船。
[0058] 本发明的关键机理是界面层的水平位移可以远大于界面层厚度。在图4中,作用在外层上的冲击力水平分量FX将通过界面剪切应力传递到界面层。结果导致界面层具有水平位移。如图4所示,由于界面层的剪切变形,界面上某一点P0将移动到P1。界面剪切应力τ可以由界面层的剪切模量和剪切应变γ(公式(4))表示:
[0059] τ=μAγ
[0060] 因此,如果剪切应力固定,降低界面的剪切模量将增加剪切应变或变形。这种机理要求材料A具有非常小的剪切模量(其与杨氏模量成比例)和非常大的剪切破坏应变。例如,粘合剂的剪切模量小于0.1GPa,或为与粘合剂层相邻材料B的剪切模量的10%。于是点P0和P1之间的距离可以比粘合剂层的厚度tA大得多。
[0061] 如图4所示,最后抛射物停留在盾牌内。原始抛射物轨迹12和新轨迹13的两个最大水平位移差是能量耗散的关键参数。位移差是由于抛射物轨迹的旋转(角度变化)和长度增加(长度变化),并且位移差为几个参数(公式(5))的函数:
[0062] δ=δ(μA,γA,tA.....)
[0063] 其中γA是最大剪切应变(与角度变化相关),tA是界面层厚度(与长度变化有关)。为了确保上述剪切变形机理,界面层的低剪切模量是关键。这又类似于一艘船在池塘里的运动。同样用石头撞击船(类似于外层),船在水中(类似于界面层,低剪切模量)比在淤泥中(高剪切模量)可沿水平方向移动更多。这里,“低剪切模量”是指与邻近材料(即材料B)的剪切模量相比较,相对低的剪切模量(无量纲,而不是绝对值)。因此,界面动力学的一个新的参数,即两种材料A和B的剪切模量不匹配SM可以表示(公式(6)):
[0064]
[0065] 与公式(2)所示的杨氏模量不匹配相比,剪切模量不匹配包括泊松比,因此可用于表征更复杂的现象。如果界面层(材料A)的剪切模量远小于材料B(装甲材料)的剪切模量,则剪切模量不匹配可接近100%。某些材料组合的剪切模量不匹配已列于表1中。当剪切模量不匹配小于60%时,粘合剂层(例如Loctite粘合剂330和384)对内部Homalite100脆性聚合物层的在冲击过程中没有保护。根据本发明的实施方案,材料设计要求粘合剂(A)和装甲材料(B)的剪切模量不匹配为60%至99%,优选为80%至99%。对于表1所示的其他材料组合,剪切模量不匹配均超过97%,因此界面层对内层的保护是明显的。
[0066] 在图4中,如果抛射物的入射角非常大,当它遇到下一层,它会偏离其轨迹(箭头14所指),而不穿透盾牌。相比于常规材料系统中的原始轨迹12,我们的设计沿盾牌表面耗散更多的抛射物动能。其结果是,该动能在垂直盾牌表面将减少。因此,抛射物无法穿透盾牌,或减少盾牌的厚度以降低成本。
[0067] 以上机制可以用在新盾牌设计。抛射物的能量耗散是与增加的水平位移有关,或是总界面层厚度的递增函数。因此,界面层应尽可能地厚。然而,增加界面厚度可能降低粘合强度,和付出其它代价。在图5A,一种解决方案是使用多个薄界面层3,而不是一个厚界面层。图5B表示具有相对于盾牌表面倾斜界面3的横截面图。抛射物6对于界面层有大的入射角。这样的材料设计保证了水平冲击力分量FX会较大。相比于图5A的实施例,界面层的大剪切变形更容易实现。此外,多个倾斜界面设计可提高抛射物在最后层5偏转的可能性,因为1)抛射物在前层4的动能损失,2)在穿透多层之后相对于内层增加的抛射物入射角。图5C是对称的倾斜界面的一个例子。图5D是几种对称的弯曲界面层的一个例子。图5B至5D的盾牌结构要求至少外层4有不均匀的厚度。在图5A至5D的盾牌结构中,前层4和内层5之间的装甲材料层可以是与前层或后层相同的材料,或者不同材料。界面层3可以使用相同的或不同的材料。所有设计的目的是使抛射物入射角在每个界面都增加,这样抛射物沿着盾牌表面耗散更多的能量。最后抛射物只有较少的能量穿透盾牌,或减少冲击损伤。
[0068] 本发明的各种实施例有助于减少盾牌的背面变形。即使是抛射物被阻挡,大的背面变形也可以对人造成严重的伤害,特别是头部。通常,背面变形是最大冲击力的增函数,盾牌弯曲刚度的减函数(弯曲刚度随面内杨氏模量和盾牌厚度增加而增加)。与传统的盾牌相比,在本实施例中采用了一个薄且软的界面层之后,盾牌弯曲刚度几乎没有变化。然而,基于微观力学分析,沿着冲击方向(厚度方向)的盾牌杨氏模量将会降低。因此根据压痕力学理论,抛射物和盾牌的接触刚度会减小。如固定抛射物的冲击能量,降低接触刚度将导致最大冲击力降低。因此盾牌的背面变形将减少。发明人进行的冲击实验(见下例)支持这个结论。所以,根据本发明实施例的盾牌中,包括弹性,塑性和其它永久变形的背面变形减少了。
[0069] 界面层A后层(被保护的层)的材料性能不重要,所以不必满足性能不匹配条件。如前所述,这种材料(例如图1B中的材料C和层5)可以与材料B相同或不同。在具有多个界面层的盾牌中,每个界面层的材料和它之前的层应满足性能不匹配条件。多个界面层可以是相同或不同的材料,并且在每个界面层之前的多个装甲层可以是相同或不同的材料。
[0070] 盾牌的制造过程主要由根据公式(1)和(6)选择的界面决定。例如,如果使用乙酰氧基硅氧烷作为粘合剂A以粘合聚合物B和C,则将粘合剂施加到整个粘合区域,并且在所有层上施加压力以在室温下形成均匀的粘合剂层。然后,盾牌用粘合剂制造商推荐的紫外线固化。固化后,盾牌在正常大气条件下放置数天,达到完全的粘合强度。
[0071] 例子
[0072] 以下实施例基于本发明人进行的冲击实验,显示了界面层对内层的有效保护(冲击力和损伤减少)。它们的材料性能不匹配列于表1。
[0073] 实施例1
[0074] 图6A显示了由Loctite 5083粘合剂粘合的两个Homalite脆性聚合物层。其长度L=254mm,厚度T=6.35mm,两个层宽度W1=66mm,W2=33mm,粘合剂层的厚度约为20μm,抛射物冲击速度为20米/秒,冲击能量为19焦。冲击损伤仅在外层4。
[0075] 实施例2
[0076] 图6A所示相同实施例1的另一实验中,抛射物冲击速度为21米/秒,仅在外层4发现冲击破坏。
[0077] 实施例3
[0078] 图6B表示由Loctite 5083粘合剂粘合的两个聚碳酸酯层的板。其长度L=T=127mm,两层宽度W1=W2=6.35mm,粘合剂层的厚度约为20μm,冲击能量为1至120焦耳。与承受相同冲击条件的纯聚碳酸酯相比,具有高性能不匹配界面的聚碳酸酯减少最大冲击力达
20%。如果最大冲击力固定在12KN,则与纯聚碳酸酯相比,具有高性能不匹配界面的聚碳酸酯能量吸收增加了130%。
[0079] 实施例4
[0080] 在另一个实验中,使用与图6B所示的层合结构,但层4和5是有机玻璃。冲击能量为1至20焦耳。在20焦耳的冲击能量下,与具有相同冲击条件的纯有机玻璃相比,具有高性能不匹配界面的有机玻璃将最大冲击力降低了60%。
[0081] 实施例5
[0082] 图6C显示了由Loctite 5083粘合剂粘合的三层Homalite的层板。其长度L=254mm,厚度T=6.35mm,三层宽度W1=W2=W3=33mm,粘合剂层的厚度约为20μm,冲击速度为20米/秒和46米/秒。仅在外层4中发现冲击破坏。
[0083] 图7A表示图6C所示实施例5的冲击实验之后的照片。抛射物撞击顶层4并导致破坏,但不能穿透层合聚合物(冲击速度20米/秒,冲击能量19焦耳)。冲击部位的不对称损伤模式表明抛射物以一定入射角撞击目标。
[0084] 图7B是经受高速冲击(46米/秒,冲击能量100焦耳)相同样品的一张照片。冲击部位的不对称损伤模式表明抛射物以一定入射角撞击目标。上述结果支持图5A所示多层薄界面设计。
[0085] 实施例6
[0086] 图8A表示具有NIJ-IIIA防弹等级的30层凯夫拉盾牌。它在第12和第13层之间有嵌入式硅胶界面。两枚0.44英寸口径的子弹射向这个盾牌。
[0087] 图8B表示在第5和第6层之间被击成蘑菇形状的两个子弹头。由于嵌入的界面,子弹头远在第30层凯夫拉层之前就停下了。
[0088] 除了表1中列出的材料组合外,可用于构建盾牌的材料A和材料B包括:Loctite 5083和玻璃纤维层板,聚氨酯和氧化Al2O3,Loctite 5083和铝。也可以使用其他材料组合,只要它们满足上述的性能不匹配条件即可。材料B是防弹或抗刺盾牌材料。
[0089] 如果盾牌用于保护平民,则可以将如图9A所示的两个盾牌单元折叠成临时头盔15。当图9B所示的尖锐砖头16落下,可以保护人的头部。盾牌和界面尺寸由所用的保护要求和材料决定。
[0090] 显而易见的是:对本领域的技术人员,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,可以在本发明的个人或车辆保护装置中进行各种修改和变化。因此,本发明旨在覆盖所附权利要求及其等同物范围内的修改和变化。
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