一种轻质高效防弹防刺复合装甲及其制备方法

技术领域

本发明属于防弹装甲领域，尤其是涉及一种轻质高效防弹防刺复合装甲及其制备方法。

背景技术

现有插板均是采用陶瓷+纤维复合板材复合制成，同时陶瓷面还会通过止裂层来阻止陶瓷受到冲击后碎片飞溅造成的二次伤害；此外，陶瓷层属于硬质迎弹面层，主要用于钝化子弹、削弱冲击力，背板纤维复合材料层为吸能支撑层，进一步削弱子的冲击；两种不同物理特性的板材之间在硬度等方面过渡很大，阻抗匹配度差，使得复合装甲板的防弹性能不能充分发挥。

如专利号为201921318395.4提供了一种防弹插板。防弹插板包括沿插板本体的厚度方向依次布置的缓冲层、止裂层、陶瓷层、支撑层；在该防弹插板中，止裂层能够防止陶瓷层碎裂后，碎片飞溅对人体造成伤害，缓冲层设置在迎弹侧，当子弹向防弹板射击时，子弹能够先穿过缓冲层，缓冲层能够减小子弹对陶瓷层的冲击，减小陶瓷层碎裂的可能性，从而减小对人体的伤害，起到更好的缓冲效果，并且缓冲层粘接于止裂层的迎弹侧，当防弹插板不慎跌落时，缓冲层接触地面能够防止因防弹插板与地面撞击使陶瓷层碎裂。

专利号为201920946066.8也公开了一种基于抗弹陶瓷片的防弹插板结构，包括位于前部的前装甲板、位于后部的后装甲板和位于前装甲板和后装甲板之间的陶瓷装甲板，陶瓷装甲板包括至少两层陶瓷片层，每层陶瓷片层均由多个陶瓷片拼接而成，相邻两层陶瓷片层的陶瓷片拼接缝交错设置。本实用新型的陶瓷装甲板通过至少两层陶瓷片层以瓷片层接缝交错设置的方式叠放，多层交错叠放的方式弥补单层平铺方式的不足，提高陶瓷片的抗弹性能。

专利号为201910009265.0公开了一种复合防弹装甲板及其制备方法，其在陶瓷板与纤维板之间引入金属约束板，以纤维金属层合板与多孔金属夹芯板支撑陶瓷，增强防弹装甲板的抗弹性能。但是金属相对纤维复合材料具有密度大，不符合目前轻量化的发展趋势。

现有技术中，很少有采用高性能纤维复合材料直接作为装甲板迎弹面，或是只采用高性能纤维复合材料作为装甲板防护时大都防御级别比较低。究其原因主要是因为，普通高性能纤维复合材料相较于陶瓷板材一般硬度不够，不具备钝化弹头削弱子弹冲击力的能力。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种轻质高效防弹防刺复合装甲及其制备方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种轻质高效防弹防刺复合装甲，包括迎弹面层、过渡层和背板层，所述迎弹面层与过渡层之间以及过渡层与背板层之间均通过胶膜粘接，所述迎弹面层和所述过渡层为无机纤维增强树脂基复合材料，所述背板层为有机纤维增强树脂基复合材料，所述迎弹面层中无机纤维的体积含量为60％-90％，树脂的体积含量10％-40％，所述迎弹面层为多轴向三维机织结构。

优选地，所述迎弹面层由表面上浆处理的无机纤维经过多轴向三维机织工艺织造得到的织物经模压工艺或真空袋压工艺或热压罐工艺制成。

优选地，所述迎弹面层由无机纤维经过多轴向三维机织工艺织造得到织物采用树脂传递模塑RTM工艺固化成型。

优选地，所述过渡层中无机纤维的体积含量为40％-70％，树脂的体积含量30％-60％。

优选地，所述过渡层为单向纤维预浸料或二维织物预浸料以0°/90°循环铺覆、0°/±45°/90°循环铺覆或0°/30°/60°/90°循环铺覆制备而得。

优选地，所述迎弹面层和过渡层中的无机纤维独立地选自碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维中的任意一种或两种以上的混杂。

优选地，所述迎弹面层中的无机纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维或碳化硼纤维中的任意一种或两种以上的混杂。

优选地，所述过渡层中的无机纤维为玻璃纤维、碳纤维中的任意一种或两种及以上的混杂。

优选地，所述迎弹面层和过渡层中的树脂为热固性树脂或热塑性树脂。更优选地，所述热固性树脂为环氧、酚醛、不饱和聚酯中的任意一种或两种以上的组合；更优选地，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚氨酯、聚酯、尼龙中的任意一种或两种以上的组合。

优选地，所述背板层中有机纤维的体积含量为70％-90％，树脂含量为10％-30％。

优选地，所述背板层为通过单向纤维预浸料以0/°90°循环铺覆、0°/±45°/90°循环铺覆或0°/30°/60°/90°循环铺覆后经模压工艺制备而得。

优选地，所述背板层中的有机纤维为超高分子量聚乙烯纤维，芳纶纤维、PBO纤维中任意一种或两种及以上的混杂。

优选地，所述背板层中的树脂为聚乙烯、聚氨酯、聚酯、尼龙中的任意一种或两种以上的组合。

优选地，所述胶膜的基材为聚乙烯、EVA、聚丙烯、聚酰胺、聚氨酯或环氧树脂。

多轴向三维机织织造技术是一种新型的织造技术，且多轴向三维机织物是一种先进复合材料用增强预制体，由于传统三维机织物组织结构中的纱线处于弯曲状态,通过增大织造密度等提升纤维体积含量具有局限性，使得织物中高性能纤维性能不能充分发挥,进而影响复合材料的性能。多轴向三维机织物由于引入了多方向的斜向纱，改善了常见三维机织物纤维含量及模量低的缺点,从而具有更好的结构稳定性和耐冲击性能。此外，由于高纤维体积含量的多轴向三维机织物由于应用环境较少，因此其应用报道也比较少见，但由高性能无机纤维织造的高纤维体积含量多轴向三维机织物具有很高抗冲击强度，尤其在使用时子弹冲击方向的高密度轴向纤维排布，可以在子弹冲击过程沿冲击方向形成纤维堆积，大大增大子弹的冲击阻力；同时无机纤维的刚性特性还可以钝化子弹弹头进一步削弱子弹的冲击力，相较于二维层合结构的高性能纤维增强复合材料在防护级别上可以获得大大提升。

另外，本发明还提供了上述轻质防弹防刺复合装甲板的制备方法包括：

S1：迎弹面层制备：

将无机纤维预先上浆处理，无机纤维表面覆浆率控制在10％-40％；然后采用多轴向三维机织工艺织造无机纤维体积含量为60％-90％的多轴向三维机织物，然后采用模压工艺或真空袋压工艺或热压罐工艺进行固化成型制得迎弹面层；

或将无机纤维直接采用多轴向三维机织工艺织造无机纤维体积含量为60％-90％的多轴向三维机织物，然后采用树脂传递模塑RTM工艺固化成型制得迎弹面层；

S2：过渡层制备：

将无机纤维制得的单向纤维或无机纤维制得的二维织物预浸料进行铺层，然后采用模压工艺或真空袋压工艺或热压罐工艺进行固化成型，制得无机纤维体积含量为30％-60％的过渡层；

S3：背板层制备：

将有机纤维制得的单向纤维预浸料铺层，然后采用模压工艺或真空袋压工艺或热压罐工艺进行固化成型制得有机纤维体积含量为70％-90％的背板层；

S4：复合装甲制备：

按迎弹面层、过渡层和背板层顺序进行叠层铺放，每层中间铺放一层胶膜，然后采用模压工艺或真空袋压工艺或热压罐工艺进行最终固化成型制得复合装甲。其中，所述迎弹层、过渡层以及背板层的纤维体积含量和铺层层数根据防弹级别要求进行选择。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明所提供的轻质高效防弹防刺复合装甲由迎弹面层、过渡层和背板层组成；高纤维体积含量的多轴向三维机织物增强复合材料作为迎弹面，用于钝化弹头及削弱子弹的侵彻能力；中纤维体积含量的铺层复合材料作为过渡层，该层刚性处于迎弹面层和背板层之间，可以进一步削弱子弹冲击力，缓冲对背板层的破坏，使得背板层的吸能性能充分发挥；单向预浸料铺层复合材料作为背板层，具有硬度低、韧性好的特点，可以通过纤维传递及层间破坏吸收并耗散子弹的剩余冲击力。

(2)本发明中迎弹面层使用的高纤维体积含量多轴向三维机织织物是一种先进复合材料增强体结构，采用高强高模无机纤维织造的高纤维体积含量多轴向三维机织物不但具有密度低，尤其增强的复合材料还具有类似陶瓷的高硬度，采用该织物增强的树脂基复合材料作为迎弹面，在子弹撞击后不会发生大面积碎裂，也不会产生碎片飞溅，进而无需止裂层的引入，减少复合装甲的制备工序。

(3)本发明通过控制复合材料的纤维组成、纤维体积含量可以获得阻抗匹配的复合装甲组合结构。通过厚度方向阻抗梯度设计可以充分发挥复合装甲的防弹性能。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明创造。

实施例1

一种轻质高效防弹防刺复合装甲，复合装甲各层复合材料和制备工艺如表1所示，然后按照迎弹面层、EVA胶膜、过渡层、EVA胶膜、背板层依次铺放，经热压罐复合制备得到轻质高效防弹防刺复合装甲。采用该实施例制备的防弹板可达到GA141警用防弹衣标准4级防护，且背衬凹陷深度为23mm。

实施例2

一种轻质高效防弹防刺复合装甲，复合装甲各层复合材料和制备工艺如表1所示，然后按照迎弹面层、EVA胶膜、过渡层、EVA胶膜、背板层依次铺放，经热压罐复合制备得到轻质高效防弹防刺复合装甲。采用该实施例制备的防弹板可达到GA141警用防弹衣标准4级防护，且背衬凹陷深度为22mm。

实施例3

一种轻质高效防弹防刺复合装甲，复合装甲各层复合材料和制备工艺如表1所示，然后按照迎弹面层、EVA胶膜、过渡层、EVA胶膜、背板层依次铺放，经热压罐复合制备得到轻质高效防弹防刺复合装甲。采用该实施例制备的防弹板可达到GA141警用防弹衣标准4级防护，且背衬凹陷深度为25mm。

对比例1

一种防弹复合装甲，复合装甲各层复合材料和制备工艺如表1所示，然后按照迎弹面层、EVA胶膜、过渡层、EVA胶膜、背板层依次铺放，经热压罐复合制备得到防弹复合装甲。采用该对比例制备的防弹板可达到GA141警用防弹衣标准4级防护，且背衬凹陷深度为21mm，该对比例迎弹面层陶瓷面板与实施例1-3多轴向三维机织物增强树脂基复合材料的厚度一致，重量比多轴向三维机织物增强树脂基复合材料高20％-30％。由此说明多轴向三维机织复合材料作为复合装甲的迎弹面板，在与陶瓷面板同等重量的条件下，具备同等级别的防护能力，并且可实现复合装甲的进一步减重，符合防弹装甲轻量化的发展趋势。

对比例2

一种防弹复合装甲，复合装甲各层复合材料和制备工艺如表1所示，然后按照迎弹面层、EVA胶膜、过渡层、EVA胶膜、背板层依次铺放，经热压罐复合制备得到防弹复合装甲。采用该对比例制备的防弹板按GA141警用防弹衣标准4级防护打靶测试未能实现有效防护。该对比例迎弹面层二维机织物增强树脂基复合材料与实施例1-3多轴向三维机织物增强树脂基复合材料的重量一致。由此说明多轴向三维机织复合材料作为复合装甲的迎弹面板，在与二维机织物增强树脂基复合材料同等重量且厚度较低的条件下，其防护能力更优。

表1复合装甲各层复合材料参数和制备工艺

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综上所述，采用本发明多轴向三维机织物增强复合材料作为复合装甲的迎弹面板，相较于陶瓷面板，不但具备同等级别的防护能力，且具有较低的密度，可实现复合装甲的轻量化设计；同时在子弹撞击后不会发生类似陶瓷面板的大面积碎裂，也不会产生碎片飞溅，进而无需止裂层的引入，减少复合装甲的制备工序。此外，与二维机织物增强复合材料作为迎弹面层的复合装甲相比，防弹效果更好，且装甲整体厚度降低，提高了人体和防护装备的机动性、灵活性。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。