基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料制造技术

本发明专利技术涉及装甲防护技术领域，具体涉及一种基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料；多相复合装甲材料的主体结构包括自迎弹面向内依次设置的碳纤维复合材料止裂层、陶瓷碎弹层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层和碳纤维复合材料支撑层，且任意相邻两层均由高韧性异质界面粘接剂胶膜层粘接在一起；能够解决当前防弹抗暴装甲材料密度大、背凸严重、抗连续射击能力不足的问题。本发明专利技术的粘接方法能够有效增强异质界面的粘接强度，提升临界能量释放率，同时提升防护装甲对贯穿性损伤和非贯穿性损伤的防护等级，除可应用于防弹抗爆装甲以外，还可应用于多种抗高速冲击结构，如高速列车车身，各种飞行器壳体、单兵防护用具等。兵防护用具等。兵防护用具等。

【技术实现步骤摘要】
基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料


[0001]本专利技术涉及装甲防护
，具体涉及一种基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料。

技术介绍

[0002]防护装甲是决定武器装备战场生存力的关键。日益复杂的战场环境对防护装甲材料提出了越来越严苛的要求，不仅要求能够在常规条件下维持整体结构的刚度，而且还要求在防护高速冲击的同时最大限度降低重量。作为新一代防护材料，以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维、聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维和芳纶纤维等为增强纤维制备的纤维增强树脂基复合材料获得了非常广泛的应用，如德国“豹
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2”坦克装甲衬层、荷兰“XA
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6”装甲车内衬、加拿大“挑战者”飞机雷达罩等。这些抗高速冲击复合材料的防护性能优异且密度大都在3 g/cm3以下，远小于传统金属防护材料，因此推动了武器装备轻量化、高机动性的发展。但是，实际应用中，纤维增强复合材料弹击后的背凸比较严重，对非贯穿性损伤的防护效果较差，并且难以提供结构材料所必须的刚度，因此常与高模量的陶瓷或金属组合使用。
[0003]目前设计防护材料大多从能量耗散的角度出发，对侵彻行为和贯穿性损伤的防护比较重视。但是，对于多种类型材料复合而成的防护装甲而言，冲击过程中初始撞击阶段、侵蚀阶段和断裂阶段的受力和损伤形式多样，冲击波逐层扩散的耦合效应显著，因此单一的能量耗散设计难以同时抵御贯穿性损伤和非贯穿性损伤，面临多次冲击防护能力不足和冲击后承载能力大幅下降等方面挑战。
[0004]抗贯穿性损伤需要复合材料在面外载荷作用下具有较大的面内拉伸变形能力，从而能够充分发挥纤维的轴向拉伸性能；而抗非贯穿性损伤则需要复合材料具有较高的面内刚度，以减弱凹陷变形。基于能量耗散机制的传统研究认为，抗侵彻性能（即抗贯穿性损伤能力）与抗凹陷性能（即抗非贯穿性损伤能力）属于一对互相排斥的性能，解决问题的关键点在于界面，因此寻求一种粘接强度和断裂韧性优且低塑性变形的异质界面粘接方式是当前特种防护装甲领域亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术的不足，提供一种基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料。该防弹抗爆多相复合装甲材料具有密度低、背凸小、防弹能力强和抗多发射击的性能优点，可用于穿甲燃烧弹和杀爆弹破片的防护。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，所述多相复合装甲材料的主体结构包括自迎弹面向内依次设置的碳纤维复合材料止裂层、陶瓷碎弹层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层和碳纤维复合材料支撑层，且任意相邻两层均由高韧性异质界面粘接剂胶膜层粘接在一起；
其中，碳纤维复合材料止裂层保障冲击损伤区域稳定，控制损伤面积；陶瓷碎弹层一方面通过碎裂进行能量耗散，另一方面扩大载荷和能量的作用范围；超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层大量吸收弹丸残余能量；碳纤维复合材料支撑层提供结构整体刚度并确保弹丸无法贯穿装甲材料；高韧性异质界面粘接剂胶膜层维持装甲的整体稳定性并确保各组分材料设计性能的实现。
[0007]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述碳纤维复合材料止裂层和所述碳纤维复合材料支撑层均由碳纤维单向布按[0
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]2铺层并热压制得，其中所述碳纤维复合材料止裂层的厚度为1~12 mm，所述碳纤维复合材料支撑层的厚度为1~5 mm。
[0008]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述陶瓷碎弹层由1~5层陶瓷片组成，每一层由若干块边长为50~100 mm的正方形陶瓷片拼接而成，陶瓷片由碳化硼、氮化硼、氧化铝、碳化硅及氮化硅中的任意一种或几种材料构成；所述陶瓷碎弹层的总厚度为10~35 mm。
[0009]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层由超高分子量聚乙烯纤维按[0
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]2铺层并热压制得；超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层的厚度为5~30 mm，其中超高分子量聚乙烯纤维的摩尔质量为1.8~3.6
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10
7 g/mol。
[0010]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述高韧性异质界面粘接剂胶膜层由环氧树脂体系、短纤维薄毡和核壳橡胶制备而成；所述环氧树脂体系由环氧单体或预聚体、固化剂和反应助剂充分混合后通过固化反应制得。
[0011]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述短纤维薄毡由玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和各类有机合成纤维中的一种或多种制备而成，纤维单丝长度为0.2~15 mm，长径比为200~3000；所述短纤维薄毡的厚度为12~100 μm，面密度为3~100 g/m2，内部纤维呈随机取向网状结构。
[0012]作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述所述核壳橡胶的壳体为聚甲基丙烯酸甲酯，内核为丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶和硅橡胶中的一种或多种的组合，其外观是一种直径为100~2000 nm的球体；所述核壳橡胶占高韧性异质界面粘接剂胶膜层的0.5~12 wt%。
[0013]另外，本专利技术还提供上述基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料的组装制备方法，包括如下步骤：（一）短纤维薄毡的制备：将羟乙基纤维素溶解于去离子水中，然后按照一定的比例加入短纤维，分散均匀后得到短纤维稳定悬浮液，然后将悬浮液匀速缓慢倒入平行于水平面的筛网中，经过冲洗、定型、干燥后，得到短纤维薄毡；（二）高韧性异质界面粘接剂胶膜层的制备：将核壳橡胶加入到丙酮/乙醇混合溶液中，分散均匀后与环氧单体或预聚体按比例混合均匀，然后除去丙酮和乙醇；随后按比例加入固化剂和反应助剂，混合均匀后浸渍步骤（一）制备的短纤维薄毡；将浸透的短纤维薄毡通过压延工艺制备得到所需环氧树脂含量和胶膜厚度的高韧性异质界面粘接剂胶膜层；（三）组装法制备轻质防弹抗爆多相复合装甲材料：采用热压工艺制备碳纤维复合材料止裂层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能
层和碳纤维复合材料支撑层；在硬质单面模具上依次铺放碳纤维复合材料止裂层、陶瓷碎弹层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层、碳纤维复合材料支撑层，在相邻层之间铺放步骤（二）制备的高韧性异质界面粘接剂胶膜层；将铺设完成的材料体系封入密封工装中，然后整体转移至热压罐内固化成型，则得到基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料。
[0014]本专利技术还提供上述基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料的一体成型制备方法，包括如下步骤：（A）短纤维薄毡的制备：将羟乙基纤维素溶解于去离子水中，然后按照一定的比例加入短纤维，分散均匀后得到短纤维稳定悬浮液，然后将悬浮液匀速缓慢倒入平行于水平面的筛网中，经过冲洗、定型、干燥后，得到短纤维薄毡；（B）高韧性异质界面粘接剂胶膜层的制备：将核壳橡胶加入到丙酮/乙醇混合溶液中，分散均匀后与环氧单体或预聚体按比例混合均匀，然后除去丙酮和乙醇；随后按比例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，多相复合装甲材料的主体结构包括自迎弹面向内依次设置的碳纤维复合材料止裂层（1）、陶瓷碎弹层（2）、超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层（3）和碳纤维复合材料支撑层（4），且任意相邻两层均由高韧性异质界面粘接剂胶膜层（5）粘接在一起；其中，碳纤维复合材料止裂层（1）保障冲击损伤区域稳定，控制损伤面积；陶瓷碎弹层（2）一方面通过碎裂进行能量耗散，另一方面扩大载荷和能量的作用范围；超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层（3）大量吸收弹丸残余能量；碳纤维复合材料支撑层（4）提供结构整体刚度并确保弹丸无法贯穿装甲材料；高韧性异质界面粘接剂胶膜层（5）维持装甲的整体稳定性并确保各组分材料设计性能的实现。2.根据权利要求1所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料止裂层（1）和所述碳纤维复合材料支撑层（4）均由碳纤维单向布按[0
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]2铺层并热压制得，其中所述碳纤维复合材料止裂层（1）的厚度为1~12 mm，所述碳纤维复合材料支撑层（4）的厚度为1~5 mm。3.根据权利要求1所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述陶瓷碎弹层（2）由1~5层陶瓷片组成，每一层由若干块边长为50 ~100 mm的正方形陶瓷片拼接而成，陶瓷片由碳化硼、氮化硼、氧化铝、碳化硅及氮化硅中的任意一种或几种材料构成；所述陶瓷碎弹层（2）的总厚度为10~35 mm。4.根据权利要求1所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层（3）由超高分子量聚乙烯纤维按[0
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]2铺层并热压制得；超高分子量聚乙烯纤维复合材料吸能层（3）的厚度为5~30 mm，其中超高分子量聚乙烯纤维的摩尔质量为1.8~3.6
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7 g/mol。5.根据权利要求1所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述高韧性异质界面粘接剂胶膜层（5）由环氧树脂体系、短纤维薄毡和核壳橡胶制备而成；所述环氧树脂体系由环氧单体或预聚体、固化剂和反应助剂充分混合后通过固化反应制得。6.根据权利要求5所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述短纤维薄毡由玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和各类有机合成纤维中的一种或多种制备而成，纤维单丝长度为0.2~15 mm，长径比为200~3000；所述短纤维薄毡的厚度为12~100 μm，面密度为3~100 g/m2，内部纤维呈随机取向网状结构。7.根据权利要求5所述的基于高韧性异质界面层的轻质防弹抗爆多相复合装甲材料，其特征在于，所述核壳橡胶的壳体为聚甲基丙烯酸甲酯，内核为丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶和硅橡胶中的一种或多种的组合，其外观是一种直径为100~2000 nm的球体；所述核壳橡胶占高韧性异质界面粘接剂胶膜层（5）的0.5~12 wt%。8.根据权利要求5所述的基于高韧性异质界面层的轻质防...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启晖，刘亚青，赵贵哲，吴飞，温凯，黄绍梁，
申请(专利权)人：山西中北新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：