[發明專利]基于高韌性異質界面層的輕質防彈抗爆多相復合裝甲材料

在審

• 申請號: 202210702707.1
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN115127398A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 陳啟暉;劉亞青;趙貴哲;吳飛;溫凱;黃紹梁
• 申請（專利權）人: 中北大學;山西中北新材料科技有限公司
• 主分類號: F41H5/04
• 分類號: F41H5/04
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 楊文艷

本發明涉及裝甲防護技術領域，具體涉及一種基于高韌性異質界面層的輕質防彈抗爆多相復合裝甲材料；多相復合裝甲材料的主體結構包括自迎彈面向內依次設置的碳纖維復合材料止裂層、陶瓷碎彈層、超高分子量聚乙烯纖維復合材料吸能層和碳纖維復合材料支撐層，且任意相鄰兩層均由高韌性異質界面粘接劑膠膜層粘接在一起；能夠解決當前防彈抗暴裝甲材料密度大、背凸嚴重、抗連續射擊能力不足的問題。本發明的粘接方法能夠有效增強異質界面的粘接強度，提升臨界能量釋放率，同時提升防護裝甲對貫穿性損傷和非貫穿性損傷的防護等級，除可應用于防彈抗爆裝甲以外，還可應用于多種抗高速沖擊結構，如高速列車車身，各種飛行器殼體、單兵防護用具等。

技術領域

本發明涉及裝甲防護技術領域，具體涉及一種基于高韌性異質界面層的輕質防彈抗爆多相復合裝甲材料。

背景技術

防護裝甲是決定武器裝備戰場生存力的關鍵。日益復雜的戰場環境對防護裝甲材料提出了越來越嚴苛的要求，不僅要求能夠在常規條件下維持整體結構的剛度，而且還要求在防護高速沖擊的同時最大限度降低重量。作為新一代防護材料，以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維、聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維和芳綸纖維等為增強纖維制備的纖維增強樹脂基復合材料獲得了非常廣泛的應用，如德國“豹-2”坦克裝甲襯層、荷蘭“XA-886×6”裝甲車內襯、加拿大“挑戰者”飛機雷達罩等。這些抗高速沖擊復合材料的防護性能優異且密度大都在3 g/cm³以下，遠小于傳統金屬防護材料，因此推動了武器裝備輕量化、高機動性的發展。但是，實際應用中，纖維增強復合材料彈擊后的背凸比較嚴重，對非貫穿性損傷的防護效果較差，并且難以提供結構材料所必須的剛度，因此常與高模量的陶瓷或金屬組合使用。

目前設計防護材料大多從能量耗散的角度出發，對侵徹行為和貫穿性損傷的防護比較重視。但是，對于多種類型材料復合而成的防護裝甲而言，沖擊過程中初始撞擊階段、侵蝕階段和斷裂階段的受力和損傷形式多樣，沖擊波逐層擴散的耦合效應顯著，因此單一的能量耗散設計難以同時抵御貫穿性損傷和非貫穿性損傷，面臨多次沖擊防護能力不足和沖擊后承載能力大幅下降等方面挑戰。

抗貫穿性損傷需要復合材料在面外載荷作用下具有較大的面內拉伸變形能力，從而能夠充分發揮纖維的軸向拉伸性能；而抗非貫穿性損傷則需要復合材料具有較高的面內剛度，以減弱凹陷變形。基于能量耗散機制的傳統研究認為，抗侵徹性能（即抗貫穿性損傷能力）與抗凹陷性能（即抗非貫穿性損傷能力）屬于一對互相排斥的性能，解決問題的關鍵點在于界面，因此尋求一種粘接強度和斷裂韌性優且低塑性變形的異質界面粘接方式是當前特種防護裝甲領域亟待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明克服現有技術的不足，提供一種基于高韌性異質界面層的輕質防彈抗爆多相復合裝甲材料。該防彈抗爆多相復合裝甲材料具有密度低、背凸小、防彈能力強和抗多發射擊的性能優點，可用于穿甲燃燒彈和殺爆彈破片的防護。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種基于高韌性異質界面層的輕質防彈抗爆多相復合裝甲材料，所述多相復合裝甲材料的主體結構包括自迎彈面向內依次設置的碳纖維復合材料止裂層、陶瓷碎彈層、超高分子量聚乙烯纖維復合材料吸能層和碳纖維復合材料支撐層，且任意相鄰兩層均由高韌性異質界面粘接劑膠膜層粘接在一起；

其中，碳纖維復合材料止裂層保障沖擊損傷區域穩定，控制損傷面積；

陶瓷碎彈層一方面通過碎裂進行能量耗散，另一方面擴大載荷和能量的作用范圍；

超高分子量聚乙烯纖維復合材料吸能層大量吸收彈丸殘余能量；

碳纖維復合材料支撐層提供結構整體剛度并確保彈丸無法貫穿裝甲材料；

高韌性異質界面粘接劑膠膜層維持裝甲的整體穩定性并確保各組分材料設計性能的實現。