一种梯度防弹抗冲击梯度材料结构体及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110850404.X
文献号 : CN113619225B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 姚俊 , 杜宝瑞 , 李恺伦 , 丁若晨 , 赵璐 , 郭雨萌
申请人 : 中国科学院工程热物理研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种梯度防弹抗冲击材料结构体,其特征在于,所述结构体整体呈层状结构,至少包括通过环氧树脂整体封装固化成型并沿厚度方向从外到内依次分布的外层板、吸能缓冲层、底板,其中,
所述外层板,设置在所述防弹抗冲击材料结构体的最外层,采用轻质金属板或纤维增强树脂型复合材料板,其设定厚度为3mm左右;
所述吸能缓冲层,设置在所述防弹抗冲击材料结构体的中间层,其厚度大于20mm,采用由金属点阵结构与增强型预浸料纤维束共同组成的梯度复合材料,其中,所述金属点阵结构由微桁架结构晶胞按密度需求有序排列组合而成,所述增强型预浸料纤维束沿长、宽两个方向横向插入所述金属点阵结构的孔隙内,并在厚度方向上按照从外到内依次增多的原则插入所述增强型预浸料纤维束;
所述底板设置在所述防弹抗冲击材料结构体的最里层,采用轻质金属板或纤维增强树脂型复合材料板,且所述底板的厚度大于所述外层板,其设定厚度不小于10mm;
所述梯度防弹抗冲击材料结构体按照如下步骤进行制备:首先,制备金属点阵结构,所述金属点阵结构沿厚度方向从外到里依次由典型微桁架结构晶胞按照密度需求有序排列而成;
然后,将增强型预浸料纤维束沿长、宽两个方向横向插入所述金属点阵结构的孔隙内,并沿厚度方向按照从外到里依次增多的原则插入增强型预浸料纤维束,从而形成所述吸能缓冲层;
之后,在所述吸能缓冲层的外侧覆盖外层板、内侧覆盖底板,整体放入模具中填充环氧树脂进行整体固化成型,得到梯度防弹抗冲击材料结构体。
2.根据权利要求1所述的梯度防弹抗冲击材料结构体,其特征在于,所述外层板中,所述轻质金属板的材质为铝合金、或钛合金;所述纤维增强树脂型复合材料板中纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、或超高分子量聚乙烯纤维。
3.根据权利要求1所述的梯度防弹抗冲击材料结构体,其特征在于,所述金属点阵结构的材质为铝合金或钛合金,所述增强型预浸料纤维束为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、或超高分子量聚乙烯纤维。
4.根据权利要求1所述的梯度防弹抗冲击材料结构体,其特征在于,所述金属点阵结构采用增材制造、钎焊、或熔模铸造工艺来制备。
5.一种权利要求1至4任一项所述的梯度防弹抗冲击材料结构体的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括如下步骤:首先,采用增材制造、钎焊、或熔模铸造工艺制备金属点阵结构,所述金属点阵结构沿厚度方向从外到里依次由典型微桁架结构晶胞按照密度需求有序排列而成;
然后,将增强型预浸料纤维束沿长、宽两个方向横向插入所述金属点阵结构的孔隙内,并沿厚度方向按照从外到里依次增多的原则插入增强型预浸料纤维束,从而形成所述吸能缓冲层;
之后,在所述吸能缓冲层的外侧覆盖外层板、内侧覆盖底板,整体放入模具中填充环氧树脂进行整体固化成型,得到梯度防弹抗冲击材料结构体。
说明书 :
一种梯度防弹抗冲击梯度材料结构体及其制备方法
技术领域
背景技术
的冲击波,必须具备三个优良特性:①强大的缓冲吸能特性;②良好的减重效果;③低廉的
成本。早期的防弹抗冲击材料主要为均质的金属板、陶瓷板、高性能纤维复合防弹材料等,
然而要达到较佳的防弹抗冲击性能,材料需具备大的厚度,这必然使得重量增加。将传统防
弹抗冲击材料中的两种或多种进行层间设计组合,制备复合材料可充分发挥材料性能,具
有抗弹能力强、重量小、结构可设计等优点,与单一材料相比,可大大提高材料防弹抗冲击
的综合性能。为此人们纷纷研究各种新型的复合防弹材料。
构,综合了纤维增强复合材料与金属的特点,具备高比强度、高比刚度的性能。但由于金属
与纤维增强树脂型复合材料的力学性能差异较大,铺层粘合的方式很容易产生金属薄板与
复合材料的分层,且各层阻抗不变,不存在逐级增加现象,易产生较大的冲击波,造成人身
伤害。同时为了达到足够的强度,金属板与复合材料多次交替铺层或者镶嵌有陶瓷板的金
属约束板也需要达到较大的厚度,如此会带来整体重量的增加。金属点阵结构是一种晶胞
有序排列组成的多孔材料,具备优良的轻质、抗压、吸能和抗冲击的特性。利用金属点阵结
构有序多孔的特点有望使其替代交替铺层用的金属薄板或者镶嵌陶瓷板的金属约束板实
现与纤维增强树脂型复合材料的完美结合。
发明内容
求有序排列组成的金属拱形点阵结构孔隙内,沿厚度方向从外到里增强型纤维的丝束依次
增多,再填充环氧树脂固化,实现金属点阵结构与纤维增强树脂型复合材料的贯穿锁紧,形
成从外到里密度和强度依次增加的梯度复合材料,可有效衰减弹体或碎片的冲击动能,在
较小的重量下显著提高材料的防弹抗冲击特性。
层、底板,其中,
要求来确定;
结构晶胞按密度需求有序排列组合而成,所述增强型预浸料纤维束沿长、宽两个方向横向
插入所述金属点阵结构的孔隙内,并在厚度方向上按照从外到内依次增多的原则插入所述
增强型预浸料纤维束;
根据防弹抗冲击性能需求及重量要求来确定。
纤维等高强度纤维,树脂可选环氧树脂。
为3mm左右;具体材质和厚度的选择可根据防弹抗冲击性能需求及重量要求来确定。
维。
度较小,阻力也较小,弹头或者碎片刚进入吸能缓冲层时具备较大的动能,随着从外到内逐
渐深入,受到的阻力逐渐增加,动能逐渐减小,从而达到逐级衰减弹头或者碎片动能的目
的,大部分弹头或碎片在该层就已经将动能降低为0。这种可使动能逐级衰减的梯度渐变结
构在弹头或碎片的冲击下不会产生较大的冲击波,极大程度减少对人体的伤害。
弹头或者碎片。
述吸能缓冲层;
能均得到充分的发挥,本发明材料具备高比强度、高比刚度、高抗疲劳、高抗冲击等优点,改
变了原有采用金属薄板和纤维增强树脂型复合材料交替铺层的结构,避免了由于金属与纤
维增强树脂型复合材料的力学性能差异较大易分层开裂、疲劳性能差等问题。
层深度的增加,受到的阻力逐渐增加,其动能逐渐减小,从而达到逐级衰减弹头或者碎片动
能的目的,使得防弹材料在弹头或碎片的冲击下不会产生较大的冲击波,极大程度减少对
人体的伤害。
机等多种轻质防弹场合具有广阔的应用前景。
附图说明
具体实施方式
似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明
一部分实施例,而不是全部的实施例,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限
制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
吸能缓冲层2、底板3。其中,外层板1,设置在防弹抗冲击材料结构体的最外层,采用轻质金
属板或纤维增强树脂型复合材料板,其设定厚度为3mm左右并具体根据防弹抗冲击性能需
求及重量要求来确定;吸能缓冲层2,设置在防弹抗冲击材料结构体的中间层,采用由金属
点阵结构21与增强型预浸料纤维束22共同组成的梯度复合材料,其中,金属点阵结构21由
微桁架结构晶胞按密度需求有序排列组合而成,增强型预浸料纤维束22沿长、宽两个方向
横向插入金属点阵结构21的孔隙内,并在厚度方向上按照从外到内依次增多的原则插入增
强型预浸料纤维束22;底板3设置在防弹抗冲击材料结构体的最里层,采用轻质金属板或纤
维增强树脂型复合材料板,且底板3的厚度大于外层板1,其设定厚度不小于10mm并具体根
据防弹抗冲击性能需求及重量要求来确定。
树脂型复合材料板的纤维可为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高
强度纤维,树脂可选环氧树脂。外层板1一般较薄,作为防弹/抗冲击材料的最外层可使得弹
头或碎片能较轻易的穿透进入吸能缓冲层,以免产生较大的冲击波,给人体带来伤害;该层
厚度一般为3mm左右;具体材质和厚度的选择可根据防弹/抗冲击性能需求及重量要求来确
定。
(如图1所示)按密度需求有序排列组合而成,材质可为铝合金或钛合金等轻质金属材料;增
强型纤维可为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高强度纤维。金属
点阵结构21可采用增材制造、钎焊、熔模铸造等多种方法来制备,从外到里依次由典型微桁
架结构晶胞按照密度需求有序排列而成(如图2所示);将增强型预浸料纤维束22沿长、宽
(图中为X、Y)两个方向横向插入点阵结构21孔隙内,并按照从外到里纤维丝束依次增多的
原则插入(如图3所示);最后外侧覆盖外层板1,内侧覆盖底板3(如图4所示),整体放入模具
中填充环氧树脂,并整体固化成型(如图5所示)。
时具备较大的动能,随着从外到里逐渐深入,受到的阻力逐渐增加,动能逐渐减小,从而达
到逐级衰减弹头或者碎片动能的目的,大部分弹头或碎片在该层就已经将动能降低为0。这
种可使动能逐级衰减的梯度渐变结构在弹头或碎片的冲击下不会产生较大的冲击波,极大
程度减少对人体的伤害。该层的厚度一般大于20mm,具体值可根据防弹/抗冲击性能需求及
重量要求来确定。
片;其厚度一般大于10mm,具体值可根据防弹/抗冲击性能需求及重量要求来确定。
为实用且优选的实施例进行说明,但应知道,本发明并不限于所公开的实施例,任何不偏离
本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。