阅读说明：本技术 一种超轻装甲产品及其制备方法 (Ultra-light armor product and preparation method thereof ) 是由 徐喜成 黄兴良 陈振坤 刘金良 姬万滨 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超轻装甲产品,包括：纤维层压板；粘结在所述纤维层压板表面的金属板；粘结在所述金属板表面的纤维布；粘结在所述纤维布表面的多个封装的陶瓷小块,所述封装的陶瓷小块内部为陶瓷小块,外部采用纤维布进行封装；粘结在所述多个封装的陶瓷小块表面的纤维布。本发明提供的超轻装甲产品防多发攻击；通过三维包裹封装,独立的小陶瓷块重新构成整体,整体结构强度大,具备很强机械性能,如弯曲性能,抗震,防撞损伤；防弹能力提高；可以二次修复使用,提高陶瓷板使用效率。本发明还提供了一种超轻装甲产品的制备方法。(The present invention provides an ultra-light armor product comprising: a fibrous laminate; a metal plate bonded to a surface of the fiber laminate; fiber cloth adhered to the surface of the metal plate; the ceramic blocks are bonded on the surface of the fiber cloth, the ceramic blocks are arranged inside the ceramic blocks, and the fiber cloth is used for packaging the ceramic blocks outside the ceramic blocks; and the fiber cloth is bonded on the surfaces of the plurality of encapsulated ceramic small blocks. The ultra-light armor product provided by the invention can prevent multiple attacks; through three-dimensional packaging, the independent small ceramic blocks are reconstructed into a whole, the whole structure has high strength, and the ceramic block has very strong mechanical properties such as bending property, shock resistance and collision damage resistance; the bulletproof capability is improved; the ceramic plate can be repaired and used for the second time, and the service efficiency of the ceramic plate is improved. The invention also provides a preparation method of the ultralight armor product.)

一种超轻装甲产品及其制备方法

技术领域

本发明涉及装甲产品技术领域，尤其涉及一种超轻装甲产品及其制备方法。

背景技术

目前主流的防弹装甲大多数是金属材料，也有一些非金属复合材料。金属防弹装甲至今已经发展了几十年，产品成熟造价低廉，一般为高强度、高硬度的均值钢板、铝合金板或者钛合金板，但是其弱点也很明显就是面密度高。另一方面，人体防护对于轻量化的要求更高，车辆坦克等运动载具出于对燃油经济性和运动半径的考虑以及对运动灵活性的追求，因此防弹装甲的轻量化显得尤其重要。

无论个体防护还是车辆装备防护，其首要任务是防护弹道冲击下的弹头或者***破片，随着武器的升级或者客户面临的弹道威胁等级提高，对防弹装甲的防护能力提出了更高要求。

金属防弹板通过高硬度高强度让子弹在高速碰撞时发生塑性变形、钝化、碎裂甚至粉碎，同时金属防弹板在此过程中通过拉伸剪切变形吸收大量的动能，因此能量主要通过子弹形变、防弹板形变和摩擦等形式消耗。但是随着金属防弹板的强度、硬度提高，受到弹丸冲击时变形局限在很小范围内，由于应变率极高导致发生绝热剪切作用，在板冲击点形成比弹丸直径略大的剪切冲塞的通孔，只能吸收子弹少量的动能，这种情况下弹丸的剩余速度很高，冲塞块和子弹将造成二次伤害。因此金属装甲易发生绝热剪切降低防护性，易造成二次伤害。

陶瓷材料虽硬度高但是易碎，防多击能力差，非预期碰撞易导致损毁失去保护功能：防弹陶瓷如碳化硅，碳化硼，氧化铝，氮化铝，硼化钛，氧化锆增韧氧化铝等，由于陶瓷极高的硬度在子弹高速冲击下能迅速让子弹变形，侵蚀子弹的质量，而对应变速率不敏感正好弥补了金属防弹材料在这方面的不足，而单独使用的陶瓷缺点也很明显，由于硬度高，脆性大，冲击后立刻破碎，面对二次甚至多次冲击的防护能力急剧下降。

上世纪六七十年代出现了乔巴姆结构防弹装甲，是将陶瓷夹持到两块金属板之间形成了三明治结构，有效解决了陶瓷的脆性和金属板的绝热剪切冲塞失效的矛盾，但是这种结构依然很重。

纤维复合材料层压板，由芳纶纤维或者超高分子量聚乙烯纤维制成，由于纤维的密度远低于金属材料，特别是超高分子量聚乙烯纤维的密度只有0.97，比水的密度还要低3％，而其比强度远高于铝、钢、钛等金属。独立使用这种纤维层压板作为防弹板其防护系数可进一步提高，是人体防护等轻量化装备的主要选择。但是纤维复合材料的弱点也很突出，一方面在面对运输装备等防护时，纤维复合材料的刚度不够，需要借助传统的金属材料作为支持，防弹和结构支撑才能发挥协同作用，另一方面针对动能高、硬度高弹芯的中等以上口径子弹，纤维层压板所需的厚度更高，冲击变形大。使用这种纤维层压板的和陶瓷复合而成的复合防弹板材同样面临冲击变形大和无法提供结构支撑等功能。

综上，提高防弹材料的防弹性能、结构强度、轻量化、防多发攻击、二次利用等多方面性能，成为本领域技术人员研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超轻装甲产品及其制备方法，本发明提供的超轻装甲产品具有良好的防弹性能。

本发明提供了一种超轻装甲产品，包括：

纤维层压板；

粘结在所述纤维层压板表面的金属板；

粘结在所述金属板表面的纤维布；

粘结在所述纤维布表面的多个封装的陶瓷小块，所述封装的陶瓷小块内部为陶瓷小块，外部采用纤维布进行封装；

粘结在所述多个封装的陶瓷小块表面的纤维布。

在本发明中，所述纤维层压板优选选自玻璃纤维层压板、碳纤维层压板、芳纶层压板和聚乙烯层压板中的一种或几种，所述聚乙烯层压板优选为超高分子量聚乙烯层压板，所述纤维层压板也可以为一种或几种纤维混杂的纤维层压板，碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维混杂的层压板，芳纶和超高分子量聚乙烯混杂的层压板等。

在本发明中，所述纤维层压板的的厚度优选为5～20mm，更优选为6～15mm。

在本发明中，所述金属板优选选自钢板(均质钢板)、铝合金板和钛合金板中的一种或几种，所述钢板(均质钢板)优选选自商用防弹钢板，如牌号为AMFD95、AMFD3、AMP500、AMP550、AMBP500、26SiMnMo(Gy5)、28CrMo(Gy4)、22SiMn2TiB(616)、PRO500、32CrNi2MoTiA(A-8)、32Mn2Si2MoA(F-3)、32Mn2SiA(F-2)、AMFD54、AMFD56、AMFD53、AMFD16、AMFD85、AMBP790的产品；所述铝合金板的材质优选为高强铝合金，如牌号为2A11、2A12、7A04、7A05、7A52、7050、7A09、LF4、2519的产品；所述钛合金板的成分优选为Ti-6AI-4V(TC4)。

在本发明中，所述金属板的厚度优选为1～8mm，更优选为2～5mm。

在本发明中，金属板和纤维层压板的形状和尺寸与所需获得的超轻装甲产品的形状和尺寸一致。

在本发明中，所述粘结优选采用胶粘剂粘结，所述胶粘剂优选选自环氧树脂和酚醛树脂中的一种或几种，更优选为环氧树脂。

在本发明中，所述纤维布优选选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶布、聚乙烯布和玄武岩纤维布中的一种或几种；所述聚乙烯布优选为超高分子量聚乙烯纤维单取向正交预浸布[0°/90°]n；所述纤维布也可以为几种纤维的组合获得的织布，优选为玻璃纤维布、碳纤维布和芳纶布中的一种或几种，更优选为芳纶布。

在本发明中，可以在金属板表面粘结一层纤维布，也可以粘结多层纤维布；粘结所采用胶粘剂成分与上述技术方案一致，在此不再赘述。在本发明中，在金属板表面粘结的纤维布的形状和尺寸与金属板的形状和尺寸一致。

在本发明中，封装的陶瓷小块的内部为陶瓷小块，外部采用纤维布封装。在本发明中，所述陶瓷小块的材质优选选自碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化锆增韧氧化铝、氮化铝和硼化钛中的一种或几种。在本发明中，所述陶瓷小块的形状优选选自正六边形、正方形和长方形的一种或几种，也可以含有配合正六边形的边角修饰而使用的一半正六边形，或者配合正方形的边角修饰而使用的一半的正方形，更优选为正方形和长方形的组合，最优选为正方形。

在本发明中，可以根据根据所需的超轻装甲产品尺寸设计需要的陶瓷小块形状，并计算在装甲产品的长度方向和宽度方向需要的陶瓷小块数量和种类。

在本发明中，封装在陶瓷小块外部的纤维布可以为一层，也可以为多层；所述纤维布的种类与上述技术方案一致，在此不再赘述。

在本发明中，所述封装的陶瓷小块的制备方法可以为：

设计并剪裁封装陶瓷小块的纤维布的形状；

采用剪裁好的纤维布封装陶瓷小块。

在本发明中，封装陶瓷小块的纤维布的设计方法可以为：

根据陶瓷小块的形状，以陶瓷小块迎弹面为中心，向陶瓷小块的各个侧面对外展开(如图2所示即为封装陶瓷小块的纤维布的形状)。

在本发明中，可以在剪裁机上裁切封装陶瓷小块的纤维布，剪裁机可以为自动裁剪机或者激光裁剪机之类的电脑辅助裁切设备，也可以在剪裁机上统一套裁设计好形状的纤维布，以降低损耗，提高制作效率。

在本发明中，封装陶瓷小块的方法可以为将裁剪好的纤维布以陶瓷小块迎弹面为中心，按照顺时针或者逆时针方向将陶瓷小块封装(如图2和图3所示)。

在本发明的实施例中，正方形陶瓷小块的封装方法如图2所示：正方形陶瓷小块有六个面，正反两面是正方形，如图2的12所示，四个侧面如图2的11所示；各个面的对应关系如图2所示，陶瓷小块正反面12对应纤维布的12-1，陶瓷小块侧面11对应纤维的11-1。将裁剪好的纤维布铺平，为十字形，将陶瓷小块放在十字形的中心，陶瓷小块边平行于纤维布的边，将纤维布的四个面折叠铺平到陶瓷小块各个面，则完成了对陶瓷小块的封装。

在本发明的实施例中，长方形陶瓷小块的封装方法如图3所示，其中11为陶瓷小块的侧面，11-1为与陶瓷小块侧面对应的纤维布，12为陶瓷小块的上表面，12-1为与陶瓷小块上表面对应的纤维布。

本发明提供的封装陶瓷的方法，能够实现对陶瓷的三维约束，从而提高陶瓷的抗弹性能。

在本发明中，多个陶瓷小块可以按照一定的形状排布粘结在纤维布表面，如正方形陶瓷小块的铺排序列，可以按照正方顺序铺排，如图1所示，也可以是正方形的一个顶点和另一个正方形的边的中点对应，形成彼此错位半个陶瓷的排列。图1为本发明实施例提供的超轻装甲产品的整体结构示意图，其中1为陶瓷小块，2、3为纤维布和胶粘剂形成的隔离层，4为金属板，5为纤维层压板。

在本发明中，粘结在纤维布表面的多个封装的陶瓷小块所采用的胶粘剂成分与上述技术方案一致，在此不再赘述。

在本发明中，粘结在多个封装的陶瓷小块表面的纤维布所采用的胶粘剂的成分与上述技术方案一致，在此不再赘述；纤维布的种类与上述技术方案一致，在此不再赘述；可以在多个封装的陶瓷小块表面粘结一层纤维布也可以粘结多层纤维布。

在本发明中，多个封装的陶瓷小块的迎弹面和背弹面均需要一层或多层纤维布作为整体封装的盖布。

在本发明中，多个封装的陶瓷小块和纤维布(包括多个封装的陶瓷小块上下表面粘结的纤维布)整体的面密度占整个超轻装甲产品的面密度的比值优选为0.36～0.70，更优选为0.50～0.66。

本发明提供了一种上述技术方案所述的超轻装甲产品的制备方法，包括：

将纤维层压板与金属板粘结；

在金属板表面粘结纤维布；

在纤维布表面粘结多个封装的陶瓷小块；

在多个封装的陶瓷小块表面粘结纤维布，得到装甲产品；

将装甲产品进行固化，得到超轻装甲产品。

在本发明中，纤维层压板、金属板、纤维布、封装的陶瓷小块以及粘结所采用胶粘剂与上述技术方案所述一致，在此不再赘述。

在本发明中，将获得的装甲产品进行固化，固化的方法可以为放入模具中在一定温度、压力和时间下固化，也可以为放入透气袋中再装入真空固化袋，最后放入真空热压罐中固化，还可以采用树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding，简称RTM)工艺进行固化。

在本发明中，将装甲产品在模具中模压固化定型，是为了让多个封装的陶瓷小块、金属板以及纤维层压板各组件能保持尺寸的吻合和统一，另一方面也是为了施加固化应力以达到增强陶瓷约束的效果。

在本发明中，放入模具中固化的温度优选为25～120℃，更优选为50～90℃；压力优选为0.1～10MPa，更优选为1～8MPa，最优选为3～6MPa，压力为装甲产品迎弹面垂直方向的单位面积承载力；时间优选为5秒～48小时。在本发明中，将装甲产品放入模具中在一定温度、压力和时间下固化可以为一次性的持续压制，也可以为分段压制，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。

在本发明中，将金属板、纤维层压板、纤维布以及多个封装的陶瓷小块粘结过程中，涂覆胶粘剂既可以采用手敷涂覆粘结，也可以采用树脂传递模塑成型(Resin TransferMolding，简称RTM)工艺，无论采用手敷成型粘结工艺还是采用RTM工艺，在后期压制成型阶段均需要对温度、压力、时间进行控制，以便实现，效率、成本和性能的平衡。

本发明的关键在于金属板和纤维层压板的排序和构成比例，使其具有明显的协同效应，同时本发明还使用了封装技术，将陶瓷进行了三维封装。

由于陶瓷硬度高，易碎，因此在使用过程中最忌摔打，跌落、敲击等，一旦陶瓷裂缝、破损将极大降低其防护能力，因此在市场常规制造的防弹装甲中，一般都要特别注明避免碰撞，对于战场环境下各种碰撞不可避免，因此降低了防弹装甲的可靠性、稳定性，对保障性要求更高。本发明通过对陶瓷进行封装，一方面提高了陶瓷抗击各种意外伤害，避免非预期碰撞导致的各种裂缝破损等避免降低其防护性能，现有技术中通常不使用诸如基于环氧树脂的结构粘合剂，结构粘合剂倾向于将在轮胎/道路界面处产生的载荷传递到撞击面陶瓷层。本发明使用纤维布和树脂封装陶瓷后，由于纤维的增韧作用，使树脂的抗震动载荷能力提高。

另一方面，通过封装的陶瓷，经过胶粘剂的粘结形成一个新的整体陶瓷板，由于纤维布的增强作用导致这种粘结后的整体陶瓷板更加坚固，整体刚度更高，整体板的抗弯强度大幅度提高，本发明采用纤维布和树脂的复合包覆对于整体复合装甲的界面改善很大。

第三方面，因为采用小块拼接形成整体板，而在子弹或破片冲击时，接触到往往是一块陶瓷或者相邻两块或者几块，因此陶瓷破损失效的数量是很有限的，对于多发攻击的防护能力得到保障。

第四方面，由于纤维布的封装作用，相邻陶瓷之间实际上由纤维布和树脂的复合材料形成隔离，在弹丸冲击时的冲击波传递受到陶瓷-复合材料界面的隔离，因此冲击波在陶瓷之间的传递受到抑制而在冲击点陶瓷的入射和反射得到增强，保证了其他陶瓷的完整性同时也提高了冲击点陶瓷的吸能效率。

第五方面，由于陶瓷的封装作用，冲击瞬间子弹与陶瓷的相互摩擦、侵蚀，导致表面陶瓷向子弹冲击方向的逆向飞溅收到抑制，因而能有力保障陶瓷在子弹的后续推进时保持原位从而极大提高了陶瓷的抗弹能力，本发明通过封装陶瓷抑制了裂纹的扩展，抑制陶瓷碎片的位移从而提高了陶瓷的抗弹性能。

第六方面，由于本发明中陶瓷的防弹性能得到提高，因此在预期同等防护效果的情况下，可以降低陶瓷用量，或者在同等陶瓷用量的情况下降低背板的用量，从而总体上降低防弹的面密度，以期实现轻量化的目标。

第七方面，由于本发明中陶瓷被纤维布和胶的封装隔离了冲击波，因此一旦陶瓷被弹丸或者破片击中，其受损范围有限，可以进行二次补修实现陶瓷装甲的多次使用，提高了陶瓷板的失效率2～3倍(以一块300mm×300mm的装甲板为例，一般受到一发或者两发54式12.7mm穿甲***攻击后报废，而本发明中的超轻装甲产品在纤维布封装后可以修补再用至少一次)。

在本发明中，超轻装甲产品适用于装甲车用防弹装甲板、武装直升机防弹装甲板或单兵防护胸插板。本发明提供的超轻装甲产品的成型简单，一步法成型(只需要一次性加热加压固化)，可进行自动化生产技术；防多发攻击；通过三维包裹封装，独立的小陶瓷块重新构成整体，整体结构强度大，具备很强机械性能，如弯曲性能，抗震，防撞损伤；防弹能力提高；可以二次修复使用，提高陶瓷板使用效率。

在本发明中，面密度指的是单位面积的重量，等于总重量除以总面积，为装甲产品轻量化衡量标准，即防住某级别的装甲板的重量除以该板的面积。

在本发明中，防多击能力指的是同一块装甲防住多次弹丸冲击的能力，可能是同一种子弹同等速度下的冲击，也可能是不同弹丸不同速度的冲击。

在本发明中，绝热剪切指的是金属材料在高速剪切力作用下来不及发生形变，在剪切点极其有限范围内发生熔融，导致剪切吸收功很小，一般发生在高硬高强度钢板上。

在本发明中，API为穿甲***的缩写。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的轻量化装甲产品的示意图；

图2为正方形陶瓷小块被纤维布封装的示意图；

图3为长方形陶瓷小块被纤维布封装的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以下实施例所用环氧树脂为上海华谊树脂有限公司提供的安得宝牌HJ-3-1环氧树脂产品。

实施例1

选取边长50mm的正方形AD99氧化铝陶瓷小块，4.5mm厚，使用0.2mm厚度平纹芳纶纤维布封装陶瓷小块：首先设计纤维布裁剪图纸，按照图2所示，十字型纤维布的中心是50mm的正方形，四个分支是50mm×54.5mm的长方形，在电脑辅助激光裁剪机上裁切芳纶布；将剪裁好的纤维布按照图2所示的裹在陶瓷小块表面，形成封装的陶瓷小块。

另外裁剪满足装甲外观尺寸大小的0.2mm厚的芳纶纤维布三张，其中一张纤维布用环氧树脂粘结到到5mm厚6061-T6铝合金板(北京铱铂金工贸有限公司提供)表面，再将上述多个封装好的陶瓷小块涂环氧树脂粘结到纤维布上。

将剩下两张芳纶纤维布覆盖粘结(采用环氧树脂)到上述多个封装的陶瓷小块上表面。

最后将铝合金板粘结(采用环氧树脂)到北京同益中新材料科技股份有限公司提供的厚度为15mm的UHMWPE纤维层压板上，得到装甲产品。

将上述装甲产品放入模具压制成型，按照25℃，0.1MPa压力，48小时进行固化，得到超轻装甲产品。

本发明实施例1制备的超轻装甲产品中多个封装的陶瓷小块以及包覆其上下表面的纤维布形成的复合陶瓷板的面密度占整个超轻装甲产品面密度的36％。

使用53式7.62mm穿甲***，按照《GA950-2011防弹材料及产品V50试验方法测试》标准检测，其V50为826m/s，部分穿透的有效射击背后凸起高度低于10mm；V50是指在一个较窄的速度区间内穿透靶板的最低速度和不穿透靶板的最高速度的平均值，一般的该速度区间小于等于29m/s，穿透和不穿透的有效射击至少3发。

实施例2

选取边长50mm的正方形AD99氧化铝陶瓷小块，5.72mm厚，使用0.2mm厚度平纹玻璃纤维布封装陶瓷小块：首先设计纤维布裁剪图纸，按照图2所示，十字型纤维布的中心是50mm的正方形，四个分支是50mm×55.8mm的长方形，在电脑辅助激光裁剪机上裁切玻纤布；将剪裁好的纤维布按照图2包裹陶瓷小块，形成封装的陶瓷小块。

另外裁剪装甲外观尺寸大小的0.2mm厚的玻璃纤维布三张，其中一张纤维布用环氧树脂粘结到6mm厚的6061-T6铝合金板表面，再将上述多个封装好的陶瓷小块涂环氧树脂粘结到纤维布表面。

将剩下两张玻璃纤维布覆盖粘结(采用环氧树脂)到多个封装的陶瓷小块上表面。

最后将铝合板采用环氧树脂粘结到北京同益中新材料科技股份有限公司提供的厚度为20mm的UHMWPE纤维层压板上，得到装甲产品。

将上述装甲产品放入模具压制，按照120℃，0.1MPa压力，1小时固化成型，得到超轻装甲产品。

本发明实施例2制备的超轻装甲产品，多个封装后的陶瓷小块和覆盖其上下表面的纤维布形成的复合陶瓷板的面密度占整个超轻装甲产品面密度的40％。

按照实施例1的方法，使用53式7.62mm穿甲***测试，最高射击速度974m/s未完全穿透，部分穿透的有效射击背后凸起高度低于5mm。使用STANAG 2920标准的弹重52.73克20mm口径模拟弹片测试，最高射击速度964m/s未完全穿透。

由以上实施例可知，本发明提供了一种超轻装甲产品，包括：纤维层压板；粘结在所述纤维层压板表面的金属板；粘结在所述金属板表面的纤维布；粘结在所述纤维布表面的多个封装的陶瓷小块，所述封装的陶瓷小块内部为陶瓷小块，外部采用纤维布进行封装；粘结在所述多个封装的陶瓷小块表面的纤维布。本发明提供的超轻装甲产品防多发攻击；通过三维包裹封装，独立的小陶瓷块重新构成整体，整体结构强度大，具备很强机械性能，如弯曲性能，抗震，防撞损伤；防弹能力提高；可以二次修复使用，提高陶瓷板使用效率。