一種輕質耐衝擊防護板的製作方法

2023-06-07 05:09:56

本發明涉及防護裝甲材料製造技術領域，特別涉及一種可以抵禦高速衝擊波破壞，同時避免拉伸波拉伸產生破壞的輕質耐衝擊防護板。

背景技術：

防護裝甲材料的用途較為廣泛，例如防爆服、裝甲車以及坦克等，以坦克為例，目前的坦克防護裝甲普遍採用的材料為高強度鋼板，隨著對裝甲性能要求的不斷提高，裝甲材料逐漸向高強度、輕量化的陶瓷和複合材料方向發展。

現有的陶瓷和複合材料作為裝甲，主要存在以下的技術問題：

(1)陶瓷和複合材料作為裝甲，必須在結構內部布置內襯層，用於耗散衝擊波的能量，但是在相鄰兩種材料的界面處，由于波的反射和透射特性，導致界面處出現撕裂，因此內襯層可能會對結構內部產生更大的破壞威力；(2)若要保證結構內部的人員經受住衝擊波效應，必須設置足夠厚的內襯層，這會導致結構內部的空間大幅減小。

因此，設計一種強度高、輕量化並能夠有效耗散衝擊波能量和避免結構內部出現撕裂的防護板成為本領域技術人員亟需解決的技術問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種輕質耐衝擊防護板，以便能夠使得防護板強度高、輕量化並能夠有效耗散衝擊波能量，避免結構內部出現撕裂。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種輕質耐衝擊防護板，包括陶瓷層、與所述陶瓷層接合的陶瓷-鋁梯度層以及與所述陶瓷-鋁梯度層接合的泡沫鋁緩衝層，其中，所述陶瓷-鋁梯度層由陶瓷和金屬鋁混合形成，且所述陶瓷-鋁梯度層與所述陶瓷層接合的一側為第一側，所述陶瓷-鋁梯度層與所述泡沫鋁緩衝層接合的一側為第二側，由所述第一側至所述第二側，所述陶瓷-鋁梯度層中陶瓷的含量從100％逐漸降低為0％，金屬鋁的含量從0％逐漸增加至100％。

優選地，所述陶瓷-鋁梯度層中，由所述第一側至所述第二側，所述陶瓷的含量勻速降低，所述金屬鋁的含量勻速升高。

優選地，所述泡沫鋁緩衝層為變孔徑泡沫鋁緩衝層，且所述泡沫鋁緩衝層中發泡孔的孔徑，由靠近所述陶瓷-鋁梯度層的一側向遠離所述陶瓷-鋁梯度層的一側逐漸增大。

優選地，還包括等孔徑泡沫鋁緩衝層，所述等孔徑泡沫鋁緩衝層與所述變孔徑泡沫鋁緩衝層發泡孔孔徑較大的一側接合。

優選地，所述等孔徑泡沫鋁緩衝層中發泡孔的孔徑，不小於所述變孔徑泡沫鋁緩衝層中最大發泡孔的孔徑。

除此之外，本發明中還公開了另外一種輕質耐衝擊防護板，包括陶瓷層、與所述陶瓷層接合的陶瓷-鋁梯度層、與所述陶瓷-鋁梯度層接合的金屬鋁層以及與所述金屬鋁層接合的泡沫鋁緩衝層，其中，所述陶瓷-鋁梯度層由陶瓷和金屬鋁混合形成，且所述陶瓷-鋁梯度層與所述陶瓷層接合的一側為第一側，所述陶瓷-鋁梯度層與所述金屬鋁層接合的一側為第二側，由所述第一側至所述第二側，所述陶瓷-鋁梯度層中陶瓷的含量從100％逐漸降低為0％，金屬鋁的含量從0％逐漸增加至100％。

優選地，所述陶瓷-鋁梯度層中，由所述第一側至所述第二側，所述陶瓷的含量勻速降低，所述金屬鋁的含量勻速升高。

優選地，所述泡沫鋁緩衝層為變孔徑泡沫鋁緩衝層，且所述泡沫鋁緩衝層中發泡孔的孔徑，由靠近所述金屬鋁層的一側向遠離所述金屬鋁層的一側逐漸增大。

優選地，還包括等孔徑泡沫鋁緩衝層，所述等孔徑泡沫鋁緩衝層與所述變孔徑泡沫鋁緩衝層發泡孔孔徑較大的一側接合。

本發明中還公開了一種輕質耐衝擊防護板的製造方法，包括步驟：

1)向模板內注入液態陶瓷，然後向模板內注入液態鋁；

2)施加壓力以使所述金屬鋁侵入到所述液態陶瓷內；

3)冷卻所述模板以形成陶瓷層和所述陶瓷-鋁梯度層；

4)向所述模板內的液態鋁中加入添加劑後進行發泡工藝以形成所述泡沫鋁緩衝層；

5)冷卻所述模板並最終形成所述輕質耐衝擊防護板。

本發明中所公開的輕質耐衝擊防護板，利用了陶瓷的耐衝擊性能和泡沫鋁吸收衝擊波的優良性能，在實際應用時，陶瓷層為最外層，泡沫鋁緩衝層為最內層，陶瓷層和泡沫鋁緩衝層之間設置了陶瓷-鋁梯度層，該陶瓷-鋁梯度層靠近陶瓷層的一側陶瓷含量較大，靠近泡沫鋁的一側鋁含量較大，這使得耐衝擊防護板中各種材料的接合位置實現了梯度式逐漸過渡，克服了現有技術中陶瓷與金屬鋁之間的界面在強衝擊載荷下容易應力集中和開裂的缺陷；同時，泡沫鋁可以有效吸收衝擊波的能量，泡沫鋁本身的結構可以極大的削弱拉伸波的破壞程度；另外，泡沫鋁的密度較低，這就可以在很大程度上降低防護裝甲的重量，增大坦克等裝置的機動能力，並在很大程度上降低能耗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明所公開的輕質耐衝擊防護板的結構示意圖；

圖2為本發明實施例中所公開的輕質耐衝擊防護板的陶瓷-鋁梯度層中各成分的含量變化示意圖。

附圖中標記如下：

1為陶瓷層，2為陶瓷-鋁梯度層，3為金屬鋁層，4為變孔徑泡沫鋁緩衝層，5為等孔徑泡沫鋁緩衝層。

具體實施方式

本發明的核心之一在於提供一種輕質耐衝擊防護板，以便能夠使得防護板強度高、輕量化並能夠有效耗散衝擊波能量，避免結構內部出現撕裂。

本發明的另一核心還在於提供一種上述輕質耐衝擊防護板的製造方法。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參考圖1，本發明第一實施例中所公開的耐衝擊防護板，包括陶瓷層1、與陶瓷層1接合的陶瓷-鋁梯度層2以及與陶瓷-鋁梯度層2接合的泡沫鋁緩衝層，其中，陶瓷-鋁梯度層2由陶瓷材料和金屬鋁材料混合形成，且陶瓷-鋁梯度層2與所述陶瓷層1接合的一側為第一側，陶瓷-鋁梯度層2與泡沫鋁緩衝層接合的一側為第二側，由第一側至第二側，陶瓷-鋁梯度層2中陶瓷的含量從100％逐漸降低為0％，金屬鋁的含量從0％逐漸增加至100％。

上述實施例中的輕質耐衝擊防護板，利用了陶瓷的耐衝擊性能和泡沫鋁吸收衝擊波的優良性能，在實際應用時，陶瓷層1為最外層，泡沫鋁緩衝層為最內層，陶瓷層1和泡沫鋁緩衝層之間設置了陶瓷-鋁梯度層2，該陶瓷-鋁梯度層2靠近陶瓷層1的一側陶瓷含量較大，靠近泡沫鋁的一側鋁含量較大，這使得耐衝擊防護板中各種材料的接合位置實現了梯度式逐漸過渡，克服了現有技術中陶瓷與金屬鋁之間的界面在強衝擊載荷下容易應力集中和開裂的缺陷；同時，泡沫鋁可以有效吸收衝擊波的能量，泡沫鋁本身的結構可以極大的削弱拉伸波的破壞程度；另外，泡沫鋁的密度較低，這就可以在很大程度上降低防護裝甲的重量，增大坦克等裝置的機動能力，並在很大程度上降低能耗。

陶瓷層1主要起到防護和裝甲作用，在彈體高速衝擊防護板時，彈體的動能主要靠陶瓷層1消耗，根據不同的裝甲防護需求，陶瓷層1的厚度可以進行適應性變化。

陶瓷-鋁梯度層2隻要是為了避免陶瓷與金屬泡沫鋁界面在衝擊波的破壞作用下發生撕裂破壞，採用梯度變化的設計方法可以使兩種相互接合的材料之間實現逐漸過渡，從而避免兩種材料的界面位置被衝擊波撕裂。

泡沫鋁緩衝層也需要根據裝夾防護需求進行設計，因此其厚度也會根據不同需求而產生適應性變化。

如圖2中所示，在陶瓷-鋁梯度層2中，由第一側至第二側，陶瓷的含量勻速降低，金屬鋁的含量勻速升高。

為了減少內部的應力並儘量避免應力產生突變，第一實施例中的泡沫緩衝層為變孔徑泡沫鋁緩衝層4，如圖1中所示，泡沫鋁緩衝層中發泡孔的孔徑，由靠近陶瓷-鋁梯度層2的一側向遠離陶瓷-鋁梯度層2的一側逐漸增大。由於靠近陶瓷-鋁梯度層2一側的泡沫鋁緩衝層需要承受較大的應力，因此該側的發泡孔的孔徑設置的偏小，並且該位置的鋁含量應該最高，隨著泡沫鋁緩衝層厚度的增加，應力逐漸減小，因此發泡孔的直徑逐漸增大，與此同時，鋁含量隨著泡沫鋁緩衝層厚度的增加也逐漸降低，以便一方面提高緩衝能力，另一方面降低泡沫緩衝層的整體密度。

更進一步的，為了提高耐衝擊防護板內部的緩衝能力，第一實施例中所公開的耐衝擊防護板中還設置了等孔徑泡沫鋁緩衝層5，等孔徑泡沫鋁緩衝層5與變孔徑泡沫鋁緩衝層4發泡孔孔徑較大的一側接合，如圖1中所示，並且等孔徑泡沫鋁緩衝層5中發泡孔的孔徑，不小於變孔徑泡沫鋁緩衝層4中最大發泡孔的孔徑。

除此之外，本發明中還提供了第二實施例，第二實施例中公開了另外一種輕質耐衝擊防護板，與第一實施例中的輕質耐衝擊防護板相比第二實施例的區別在於：陶瓷-鋁梯度層2並非直接與泡沫鋁緩衝接合，而是陶瓷-鋁梯度層2與金屬鋁層3接合，金屬鋁層3與泡沫鋁緩衝層接合，如圖1中所示。金屬鋁層3的設置主要是考慮到以金屬鋁作為基體進行發泡來生成泡沫鋁緩衝層較為方便，從而使得生產工藝更為合理。

當然，第二實施例中的耐衝擊防護板的陶瓷-鋁梯度層2，由第一側至所述第二側，陶瓷的含量也勻速降低，金屬鋁的含量也勻速升高。

出於與第一實施例中相同的考慮，第二實施例中泡沫鋁緩衝層為變孔徑泡沫鋁緩衝層4，且泡沫鋁緩衝層中發泡孔的孔徑，由靠近金屬鋁層3的一側向遠離金屬鋁層3的一側逐漸增大。為了進一步提高耐衝擊防護板內側的緩衝能力，還設置了等孔徑泡沫鋁緩衝層5，等孔徑泡沫鋁緩衝層5與變孔徑泡沫鋁緩衝層4發泡孔孔徑較大的一側接合，如圖1中所示。當然，在該實施例中，等孔徑泡沫鋁緩衝層5中發泡孔的孔徑，不小於變孔徑泡沫鋁緩衝層4中最大發泡孔的孔徑。

本發明中還公開了一種輕質耐衝擊防護板的製造方法，包括如下步驟：

1)向模板內注入液態陶瓷，然後向模板內注入液態鋁；

2)施加壓力以使所述金屬鋁侵入到所述液態陶瓷內；

3)冷卻所述模板以形成陶瓷層和所述陶瓷-鋁梯度層；

4)向所述模板內的液態鋁中加入添加劑後進行發泡工藝以形成所述泡沫鋁緩衝層；

5)冷卻所述模板並最終形成所述輕質耐衝擊防護板。

在步驟3)中，陶瓷凝固時，金屬鋁還處於液態，這就為液態金屬鋁進行發泡工藝提供了方便，在液態金屬鋁內加入添加劑並進行發泡後，進入步驟5)，步驟5)中的冷卻使得金屬鋁以及泡沫鋁均凝結成為固體，整個輕質耐衝擊防護板製造完成。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。