装甲复合材料及其制造方法

专利名称：装甲复合材料及其制造方法
技术领域：
本发明整体涉及装甲复合材料。更具体地讲，本发明涉及玻璃陶 瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的制造方法。
背景技术：
设计用于抵御小型武器射弹和弹片的多种装甲材料是已知的。这 些装甲材料可由玻璃陶瓷和塑性层共同粘合制成，以形成层合复合材 料。
大多数玻璃陶瓷利用熟知的玻璃形成物(诸如Si02、 B203、 P205、 Ge02和Te02)，以协助所述玻璃前体的形成。WIPO (世界知识产权 组织)专利公开号WO 2003/011776和Rosenflanz et al.，Bulk glasses and ultrahard nanoceramics based on alumina and rare-earth oxides, Nature 430， 761-64 (2004)(罗森弗兰兹等人，基于氧化铝和稀土氧化物的 大块玻璃和超硬纳米陶瓷，自然430， 761-64 (2004年))，报告新型 大块玻璃和玻璃陶瓷组合物，所述组合物可以通过加固呈现Tg和Tx 的玻璃坯体(例如,多个玻璃小珠)形成。存在开发这些新型玻璃陶瓷 材料的新用途和应用的持续需要。
发明概述
本发明整体涉及装甲复合材料。更具体地讲，本发明涉及玻璃陶 瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的制造方法。
6在本发明的一个实施例中，为具有包括玻璃陶瓷的第一层的复合
材料，玻璃陶瓷包括选自由八1203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组成的组的第一金属氧 化物，和选自由A1203、 Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组成的组的第二金属氧 化物，其中第一金属氧化物与第二金属氧化物彼此不同，其中玻璃陶 瓷具有至少13 GPa的硬度，其中所述玻璃陶瓷具有彼此垂直的x、 y 和z维度，并且x和y维度各自为至少IO毫米，并且基于玻璃陶瓷的 总重量，其中玻璃陶瓷含有不超过20重量Q/。的SiO2、不超过20重量％ 的B203和不超过40重量％的P205。该复合材料具有包括力耗散材料 的第二层，以及将第一层的至少一部分附连到第二层的粘结材料。
在本发明的另一个实施例中，为以下复合透明材料的制造方法
提供多个包括第一金属氧化物和第二金属氧化物的玻璃坯体，其 中第一金属氧化物与第二金属氧化物彼此不同，所述玻璃坯体具有Tg 和Tx，其中Tg和Tx之间的差值为至少5摄氏度，并且基于玻璃坯体的 总重量，其中玻璃坯体含有不超过20重量％的Si02、不超过20重量％ 的B203和不超过40重量°/。的P205;
在Tg以上加热玻璃坯体以及聚结多个玻璃坯体的至少一部分，以 以形成大块的玻璃坯体；
对大块玻璃坯体进行热处理，以形成玻璃陶瓷；
提供力耗散材料；
施加粘结材料到玻璃陶瓷和力耗散材料中的至少一种；并且 层合玻璃陶瓷和力耗散材料，为本发明所公开的。
采用本发明的所述方法，可制成具有高硬度的装甲复合材料(即， 至少13GPa)。本发明的所述装甲复合材料可用于多种应用中，包括，例如，用于军事和装甲车(汽车、吉普车、卡车、飞机、坦克、火车、 轮船、水陆两用车等)的保护，以及个人防护装备，例如防弹服。该 所述装甲复合材料还可以用于固定物体，包括建筑、门、公共汽车站、 隐蔽棚等。
在该专利申请中
"水陆两用材料"指衍生自熔融和/或蒸气相的材料，该材料缺乏 通过X光衍射确定的大范围晶体结构和/或具有通过DTA (差热分析) 确定的与所述水陆两用材料相对应的放热峰；
"陶瓷"包括玻璃、结晶陶瓷以及它们的组合；
"复合金属氧化物"指包括两种或多种不同金属元素及氧(例如， CeAl 018、 Dy3Al5012、 MgAl204和Y3A15012)的金属氧化物；
"差热分析"或"DTA"指涉及(随着所述温度的上升)测量样 本和热惰性参考(例如八1203)之间的所述温差的程序。作为取决于惰 性参考的温度的温差坐标图提供在所述样本中发生的有关放热和吸热 反应。用于执行本工序的示例性仪表可以商品名"NETZSCH STA409 DTA/TGA"得自德国塞尔普市的耐驰仪器制造有限公司(Netzsch Instruments, Selb, Germany)公司。可将适量(例如400mg)的样本置 于适当的惰性夹持器(例如100 ml Al203样本夹持器)，并以适当速率 (例如1(TC/分钟)从初始温度(例如室温或大约25°C)在静止空气中 加热至最终温度(例如1200°C;
"玻璃"指呈现玻璃化转变温度的水陆两用材料； "玻璃陶瓷"指包括由热处理玻璃形成的水晶的陶瓷； "玻璃陶瓷前体"指经受热处理以形成玻璃陶瓷的所述玻璃坯体； "热处理方案"指所述热处理工艺的所有加工参数(例如温度、 时间、压力等)；
"Tg"指由DTA (差热分析)确定的所述玻璃化转变温度； "Tx"指由DTA (差热分析)确定的所述结晶温度；并且 "稀土氧化物"或"REO"指铈氧化物(例如Ce02)、镝氧化物 (例如Dy203)、铒氧化物(例如Er203)、铕氧化物(例如Eu203)、钆氧化物(例如Gd203)、钬氧化物(例如H0203)、镧氧化物(例如
La203)、镥氧化物(例如Lu203)、钕氧化物(例如Nd203)、镨氧 化物(例如P&Ou)、钐氧化物(例如Sm203)、铽氧化物(例如Tb203)、 钍氧化物(例如Tlu07)、铥氧化物(例如丁111203)、镱氧化物(例如 Yb203)以及它们的组合。
此外，应该理解，在本文除非指明，例如在玻璃陶瓷中，金属氧 化物(例如，A1203、复合八1203 *金属氧化物、等)为晶体，否则可 为玻璃、晶体或部分玻璃与部分晶体。例如，如果玻璃陶瓷包括A1203 和Zr02， A1203和Zr02，可以就分别为玻璃态、晶态或者部分为玻璃 态且部分为晶态，或者甚至为与另外一种或者数种金属氧化物的反应 产物(例如，除非指明，例如A1203是以具体晶相的晶体A1203或 八1203 (例如，aAl203)的形式存在的，否则就可以是以晶体A1203和 /或一种或多种晶体复合八1203 *金属氧化物的形式存在的)。
根据本发明制造装甲复合材料的上述发明内容并非意图描述根据 本发明制造装甲复合材料的每种实施方式的本发明所公开的每个实施 例。随后的具体描述更具体地简化示例性实施例。通过端点给出的数 值范围包括了该范围内的所有数值(例如，1到5包括1、 1.5、 2、 2.75、 3、 4、 4.80和5)。
具体实施例方式
本发明的装甲复合材料包括至少两层由粘结材料粘结的层。第一 层包括具有高硬度的玻璃陶瓷材料，当复合材料经受不利环境要素(例 如，震动、刮擦、磨损、不利气候条件等)时，玻璃陶瓷材料起到第 一防线的作用。另外，第一层可以使弹片变形，因此减小所述装甲复 合材料上所得的冲击。
WIPO (世界知识产权组织)专利公开号WO 2003/011776和 Rosenflanz et al.， Bulk glasses and ultrahard nanoceramics based onoxides, Nature 430， 761-64 (2004)(罗森弗兰 兹等人，基于氧化铝和稀土氧化物的大块玻璃和超硬纳米陶瓷，自然 430， 761-64 (2004年))，报告新型大块玻璃和玻璃陶瓷组合物，该 组合物可用于形成根据本发明制造装甲复合材料的第一层中可用的玻 璃和玻璃陶瓷，并以引用的方式并入本文。根据本发明制造第一层中 可用的玻璃和玻璃陶瓷前体还可以通过其它技术获得，例如直接熔融 物浇注、熔融物雾化、无容器悬浮、激光旋转熔融，以及本领域内的 技术人员已知的其它方法(参见(例如)，Rapid Solidification of Ceramics, Brockway et al.， Metals and Ceramics Information Center, A Department of Defense Information Analysis Center, Columbus, OH， Ja皿ary， 1984)(陶瓷快速固化，布洛克威等人，俄亥俄州哥伦布市 的一个美国国防部信息分析中心，即金属及陶瓷信息中心，1984年1 月)。
第一层的玻璃陶瓷通常包括至少两种金属氧化物(或复合金属氧 化物)的混合物。可用于形成玻璃陶瓷的金属氧化物包括，例如，A1203; Ti02;稀土氧化物(REO)例如Ce02、 Dy203、 Er203、 Eu203、 Gd203、 Ho203、 La203、 Lu203、 Nd203、 Pr6Ou、 Sm203、 Tb203、 Th407、 Tm203 和Yb203; Zr02、 Hf02、 Ta205、 Nb205、 Bi203、 W03、 V205、 Ga203， 以及碱土金属氧化物例如CaO和BaO。根据本发明用于制造装甲复合 材料可用的玻璃陶瓷的实例包括那些由REO-Ti02、 REO-Zr02-Ti02、 REO-Al203、REO-Al203-ZrO^B REO-Al203-Zr02-Si02玻璃陶瓷前体制 成的玻璃陶瓷。可用的玻璃陶瓷前体制剂包括那些位于或接近共晶组 合物处的制剂。
除这些组合物和以下WIPO (世界知识产权组织)专利公开号WO 2003/011781， WO 2003/011776、 WO 2005/061401、 2005年11月14 曰提交的美国专利申请序号No.11/273,513 (代理人案巻号 No.61351US002)，以及Rosenflanz et al.， Bulk glasses and ultrahard nanoceramics based on alumina and rare-earth oxides ， Nature 430， 761-64
10(2004)(罗森弗兰兹等人，基于氧化铝和稀土氧化物的大块玻璃和 超硬纳米陶瓷，自然430， 761-64 (2004年))(它们以引用的方式并 入本文)中公开的组合物之外，其它组合物(包括共晶组合物)对于 本领域内的技术人员来说在审阅所述本发明之后将显而易见。
在一些实施例中，所述第一和第二金属氧化物的每一个均为选自 由A1203、 Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组成的组。
在一些实施例中，第一金属氧化物为选自由A1203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组 成的组，第二金属氧化物为选自由A1203、 Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组 成的组。在一些实施例中，第一金属氧化物为选自由A1203、 REO、 Ti02、 Y203、 Zr02以及它们的复合金属氧化物组成的组。
在某些情况下，可以优选地将有限量的氧化物整合，该氧化物为 选自由8203、 Ge02、 P205、 Si02、 Te02以及它们的组合组成的组。这 些金属氧化物在使用时通常在玻璃陶瓷的0到20% (在一些实施例中 是0到15%、 0到10%或甚至是0到5%)范围内被送入，所述范围取 决于(例如)所需特性。
在一些实施例中，玻璃陶瓷包括至少20 (在一些实施例中，优选 的是至少25、 30、 35、 40、 45、 50、 55、 60、 65、 70或甚至至少75) 重量％的A1203 (取决于玻璃陶瓷的总重量)，以及除A1203 (例如， Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02以及它们的复合金属氧化物)之外的金属氧化物。
在一些实施例中，玻璃陶瓷前体通过聚结多个玻璃坯体(例如，小 珠)形成，该玻璃坯体包括第一金属氧化物和第二金属氧化物，其中
Tg和Tx之间的差值为至少5摄氏度，并且其中玻璃坯体含有不超过20 (在一些实施例中不超过15、 10、 5、 3、 2或甚至1)重量。/。的Si02、 不超过20 (在一些实施例中不超过15、 10、 5、 3、 2或甚至1)重量％ 的8203和不超过40 (在一些实施例中不超过30、 20、 10、 5、 3、 2或 甚至O重量Q/。的P205，该百分比取决于玻璃坯体的总重量。聚结步骤 可以通过向多个玻璃坯体施加热和/或压力执行。WIPO (世界知识产权 组织)专利公开号WO 2003/011776 (以引用的方式并入本文)公开用 于聚结多个玻璃坯体的方法。所述聚结工艺可用于将玻璃陶瓷前体成 形为所需的几何形状。该玻璃陶瓷前体还可以采用共同未决的美国专 利申i青(No.60/797，847 (代理人案巻号No.62097US002)，名称为"玻 璃坯体再成形的方法"2006年5月3日提交)中报告的方法成形，该 专利的公开内容以引用的方式并入本文。
在一些实施例中，组成和/或粒度各异的玻璃坯体组合可聚结以形 成玻璃陶瓷前体。可以改变选定的组合物，以制备具有不连续性质的 玻璃陶瓷前体。所述不连续性质可制备具有不同外表属性的玻璃陶瓷。 例如，该玻璃陶瓷可具有遮光效果、分级的折射率、不同颜色等。例 如，将基于Ti02、 Zr02、 Nb2OjB 丁&205的透明材料(例如玻璃、结晶 本体)添加到基于Al2Cb的玻璃坯体的部分，可以产生分级的折射率和 其它光干涉效果。添加光活性稀土离子(例如Nd203、 Er203, Eu203)可 以影响颜色。同样，不同玻璃坯体的组合可以影响多种热机械、扩散 和物理特性，包括(例如)热膨胀系数、热导率、电子和离子传导性、 硬度、断裂韧度强度和密度。
例如，聚结之前可以均匀混合组成各异的玻璃坯体或可以有目的 地分离组成各异的玻璃坯体，以以在所得制品内形成截然不同的层或三维成形。例如，根据玻璃坯体的组成和/或工艺条件，在聚结之后， 所得制品可以具有截然不同的层。可以改变这些层，以获得所需结果。 相反，在聚结之后，可能有一层迁移到另一层中的情况。可以优化玻 璃坯体的组成和/或加工方法，以改变任何迁移效果。
在一个实例中，玻璃坯体组成可以加以选择并定向，使得玻璃陶 瓷前体的外面部分可以包含较硬的组成，同时里面部分可以具有较高 强度。所述组成也可以选择成使得玻璃陶瓷前体的不同部分呈现不同 的热膨胀系数、不同的热导率和扩散率(例如气体扩散率)。类似地， 外面部分可以含有与里面部分具有不同颜色、形状或其它光学效果的 玻璃组成。
还可将拟聚合的玻璃坯体与非玻璃材料混合，以制备复合玻璃陶 瓷。这种非玻璃材料的实例包括金属(例如铝、碳钢等)、结晶金 属氧化物(氧化铝、硅石、氧化锆、稀土氧化物、氧化钇、氧化镁、 氧化钙等)金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金刚石等。在聚 结和热处理的温度和压力下，非玻璃材料不宜降解。这些非玻璃材料 可起到进一步增加所述玻璃陶瓷的所述硬度和/或减小所述密度。
一般来讲，可用于形成玻璃陶瓷以用于根据本发明制备装甲复合 材料玻璃陶瓷的玻璃，可以通过加热所述适当金属氧化物源以形成熔 融物，有利地均一化熔融物，并随后冷却所述熔融物以形成玻璃的方 法来制备。某些实施例的玻璃材料(例如)可以通过在任何适用炉(例 如感应加热炉、燃气炉或电炉)或(例如)火焰或等离子炉中熔融所 述金属氧化物源进行制备。通过将熔融物加入多种冷却介质(例如高 速喷气流、液体、石墨或金属板(包括己冷却的板)、金属辊(包括 已冷却的金属辊)、金属球(包括已冷却的金属球)等)的任何一种 来冷却所得的熔融物。
在一种方法中，可用于根据本发明形成装甲复合材料的第一层的玻璃，可以通过利用(例如)美国专利No. 6,254,981中公开、以引用 方式并入的焰熔法进行制备。简而言之，金属氧化物源材料被形成颗 粒(有时称为"原料颗粒")。原料颗粒通常通过金属氧化物源的研 磨、结块(例如喷雾干燥)、熔融或烧结方法形成。送入火焰的原料 颗粒的粒度通常确定所得的非晶态颗粒材料的粒度。该原料颗粒被直 接送入喷焰器(例如甲烷-空气喷焰器、乙炔-氧气喷焰器、氢-氧气喷 焰器等。材料随后放入(例如水、冷却油、空气等)中淬火。
用于形成熔融物、冷却/淬火熔融物和/或其它形成玻璃的其它技术 包括蒸汽相淬火、等离子喷雾、熔融物提取、气体或离心雾化、适用 前体的热(包括火焰或激光或等离子协助)裂解、金属前体的物理蒸 气合成(PVS)和机械化学加工法。
据信冷却速率影响淬火非晶态材料的性质。例如，玻璃化转变温 度、玻璃密度和其它性质通常随冷却速率改变。在冷却期间，也可以 在受控气氛下(例如还原、中和或氧化环境以维持和/或影响所需氧化 状态等)进行快速冷却。所述气氛还可以通过利用过冷却液体影响结 晶动力学的方法影响玻璃形成。
玻璃陶瓷前体的热处理可按照多种方法中的任一方法执行，包括 在本领域中那些已知的用于玻璃热处理以形成玻璃陶瓷的方法。例如， 可以分批进行热处理，例如利用电阻式、感应式或气体加热炉。温度 可以是从卯(TC到160(TC范围内的任何温度，通常在120(TC到1500°C 之间。本发明还涵盖连续批量执行某些热处理(例如用于所述成核步 骤)和其它方法(例如用于所述晶体生长步骤和获得所需密度)。对 于成核步骤，温度通常在约卯O'C到约IIO(TC之间的范围内，在一些 实施例中，优选的是在约925'C到约105(TC的范围内。同样对于密度 步骤，温度通常在约IIOO'C到约160(TC的范围内，在一些实施例中， 优选的是在约1200'C到约1500'C的范围内。本热处理可(例如)通过 在高温下将材料直接送入炉子进行。例如，作为另外一种选择，可以
14将材料送入温度低得多的(例如室温)炉子中，并随后以预定的加热 速率加热至所需的温度。本热处理可在除空气之外的气氛中执行。在 一些情况下，在一种或者数种还原气氛中热处理甚至可能更为可取。 此外，例如，可期望在气体压力下热处理，例如在热等静压处理炉， 或气压炉中热处理。
在某些实施例中，所述热处理方案可以包括至少两个阶段。第一 阶段包括加热到接近玻璃的第一结晶温度(±50度)并将温度保持至
少1分钟、5分钟、20分钟或甚至1小时，以以至少使玻璃的部分结
晶。第二阶段包括基本上以任何速率进行加热并涵盖高于第一阶段保 持温度的多种温度。在一些实施例中，可将玻璃陶瓷从第一阶段的保 持温度冷却到大约室温，然后将其在第二阶段重新加热。在一些实施 例中，已经发现了根据双阶段方案进行热处理的方法，以减轻制品的 断裂和翘曲情况。在某些实施例中，本目标方案还有益于使总的热处 理时间最短，从而改进可制造性。
在一些实施例中，根据本发明的方法制备的装甲复合材料的玻璃
陶瓷第一层具有的硬度为至少13 (在一些实施例中优选的是至少14、 15、 16、 17或甚至至少18) GPa。在一些实施例中，根据本发明的方 法制备的第一层的玻璃陶瓷具有的杨氏模量(Young's modulus)为至 少140 (在一些实施例中为至少150、 175、 200或甚至250) GPa。
根据本发明的方法制备的装甲复合材料的第一层可制成多种规格 和形状，取决于所需应用。 一些实施例中，装甲复合材料的第一层具 有彼此垂直的x、 y和z维度，并且x和y维度各自为至少10 (在一些 实施例中为15、 20、 25、 50、 100、 500或甚至1000或更大)毫米。 在一些实施例中，z维度为至少0.5 (在一些实施例中为l、 2、 3、 5、 10、 25或甚至100)毫米。在一些实施例中，第一层玻璃陶瓷粉的形 状为六边形或其它可以套叠的形状，使得多个玻璃陶瓷本体可以在玻 璃陶瓷本体之间具有最小间隔的条件下被层合到第二层。装甲复合材料的第二层包括力耗散材料。该力耗散材料可以为本 领域内的技术人员已知的任何材料，包括(例如)聚碳酸酯、聚丙烯 酸类(包括浇铸丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、改性的丙烯酸树脂等)、 乙酸丁酸纤维素、离聚物、尼龙、聚烯烃、聚酯、聚氨酯(热固性和 热塑性)以及它们的组合等。在某些实施例中，该力耗散材料包括聚
氨酯、聚酰胺纤维(例如，可得自杜邦公司的KEVLAR品牌纤维)、 浇铸丙烯酸、聚碳酸酯、镁、铝、铁以及它们的组合。
在一些实施例中，该力耗散材料还可以包含与粘结材料相对的表 面上的保护硬涂层。力耗散层的厚度通常在O.l到100 (在一些实施例 中，0.5到50)毫米的范围内。力耗散材料可以具有相同或不同的材料 共同粘合的多层，以形成较厚的层。
用于将第一层附连到第二层的粘合材料可以为本领域内的技术人 员已知的任何粘合材料包括(例如)聚氨酯粘接剂、聚丁基乙烯基物 质、热固性树脂、紫外线可固化树脂、丙烯酸类粘接剂以及它们的组 合等。
粘合材料可被均匀施加在整个第一和第二层之间的界面的基本部 分，或可被施加至界面的所选部分。可采用本领域内的技术人员已知 的应用和/或层合方法施加粘合材料。
在本发明的另一个实施例中，装甲复合材料还可以包括另外的层， 包括(例如)基于二氧化硅的玻璃，例如OEM安全玻璃、OEM淬火 玻璃、浮法玻璃或任何其它适用的基于二氧化硅的玻璃。
实例 实例1
在广口瓷瓶中注入1000 g的去离子水，釆用HN03将去离子水的pH值调整为4。然后，加入以下氧化粉末385gAl203、 330gLa2O3、 100g Gd2OjtI 185g Zr02。在批量混合之前，将1^203粉末在700C的 温度下煅烧6小时。将大约2000 g的氧化铝研磨介质加入所述广口瓶， 并将内容物在120rpm的转速下研磨72小时。研磨之后，将所得的浆 液转移到玻璃烧杯中并采用磁力搅拌器将其搅拌。将浆液转移到烧杯 中之后，立即添加40ml的0.5M的NH4Cl溶液，添加使浆液变稠为凝 胶状的稠度。然后，将这种明胶状的物质转移到玻璃盘中，并将其在 强制对流空气烘箱中在250F的温度下进行千燥。将所得的干燥粉饼在 1250C的温度下进一步煅烧2小时，以以完全移除任何残余水分。
采用研钵和研杵进行研磨之后，将筛选所得的颗粒在氩气气氛下 以5标准升/分钟(SLPM)的速率通过漏斗缓慢(大约0.5克/分钟)送 入熔融颗粒的氢/氧火炬火焰中，并将这些颗粒直接运载到具有连续循 环湍流水(20oC)的19升(5加仑)矩形容器(41厘米(cm) X 53 cm X 18 cm高)中，以以使熔化的小滴迅速骤冷。所述火炬是得自美国 宾夕法尼亚州赫勒镇的伯利恒仪器公司(Bethlehem Apparatus Co" Hellertown,PA.)的伯利恒PM2D Model B型台式喷焰器。该火炬具有 中央进料口 (0.475 cm (3/16英寸)内径)，进料颗粒通过中央进料口 引入火焰。用于火炬的氢和氧的流量如下。氢流量为42标准升/分钟 (SLPM)，同时氧流量为18SLPM。火焰击中水的角度为大约90，同 时火焰长度(喷焰器到水表面)为大约38厘米(cm)。
将所得的熔化的并骤冷的颗粒收集在盘中并在HOC温度下进行 干燥。所述颗粒呈球形，其规格范围为从几十微米到最多250/mi。当 通过光学显微镜进行观察时，在125微米到63微米之间测量的小珠镏 分中，有大于95%的小珠越过。
将规格在90微米和125微米之间的5g小珠置于石墨模具(10 mm 直径)中，并在915C温度下采用30 MPa的施加压力将其热压成玻璃 圆柱体。然后将该玻璃圆柱体截成1.2mm厚的盘，将盘抛光成光学光滑表面。
采用常规的显微硬度测试仪(以商品名"MITUTOYO MVK-VL" 得自日本东京三丰株式会社(Mitutoyo Corporation, Tokyo, Japan))进 行硬度的量度，显微硬度测试仪配有采用500克压印负载的维氏 (Vickers)压头。根据ASTM Test Method E384 Test Methods for Microhardness of Materials ( 1991) (ASTM测试方法E384，材料显微 硬度的测试方法，1991年)中说明的指南进行显微硬度的量度，该测 试方法的公开内容以引用的方式并入本文。在20次量度中取出硬度值 的平均值。发现硬度的平均值为9.23 GPa +/- 0.12 GPa。
将当前所述样本中制备的玻璃盘在95(TC和125(TC之间的多种温 度下进一步经受热处理，以引发结晶同时增加硬度。采用可以商品名 "NETZSCH STA 409 DTA/TGA"得自德国塞尔普市耐驰仪器制造有 限公司(Netzsch Instruments, Selb， Germany)的膨胀仪进行热处理。将 样本置于八1203样本夹持器中，并以1(TC/分钟的速率在静止空气中， 将其从初始温度(例如室温或大约25'C)加热到最终温度例如950°C。
在每个退火温度下测量硬度。结果示于表1中。
表1
退火温度，°c
95010501075110011501250
硬度， GPa10.212.512.813.014.015.8
实例2
按照实例1中所述制备大约200 g的小珠。将镏分在125和63微 米之间的150 g的小珠置于3 X 3"的正方模具中，并在925C温度下 采用20 MPa的施加压力将其热压。所得的材料是厚度约为6 mm的玻璃板。硬度确定为9.1 GPa+/-0.13 GPa。
将该玻璃板固定在铝框架夹持器中，该玻璃板和铝框架之间具有 硅橡胶密封件。所述块的外露面积为6.35 cm X 6.35 cm (2.5 X 2.5 英寸)。所述块的厚度为6mm。该样本采用9mm气枪(额定压力为 1200 psi，制造商为俄亥俄州代顿市的物理应用公司(Physics Applications Inc. Dayton， Ohio))。射弹周围为9 mm的全金属夹套。 玻璃板和枪筒出口之间的距离为2.13m(7英尺)。速度采用美国得克 萨斯州奥斯丁市的Oehler研究公司的"Model 35"型Oehler测速仪 ("Model 35" Oehler chronograph (Oehler Research, Inc., Austin Texas))进行测量。测量的速度为850英尺/秒。玻璃板在撞击时破碎， 但射弹的夹套被剥离、射弹被压扁并破碎。射弹的速度被足够减缓， 以在目标夹持器后面的纸板箱内被截获。
应当理解，即使在以上描述和实例中说明的制备装甲复合材料的 许多特性和优点中，以及本发明的结构和功能的细节，本公开仅为示 例性的。在附加权利要求的条款和本发明所述结构或方法的等同物的 含义所表达的本发明原理完全范围内，可以更改细节，尤其是与玻璃 组成有关的方面。
权利要求
1. 一种复合材料，包括具有包括玻璃陶瓷的第一层，所述玻璃陶瓷包括选自由Al2O3、CaO、CoO、Cr2O3、CuO、Fe2O3、HfO2、MgO、MnO、Nb2O5、NiO、REO、Sc2O3、Ta2O5、TiO2、V2O5、Y2O3、ZnO、ZrO2、以及它们的复合金属氧化物组成的组的第一金属氧化物，和选自由Al2O3、Bi2O3、CaO、CoO、Cr2O3、CuO、Fe2O3、Ga2O3、HfO2、MgO、MnO、Nb2O5、NiO、REO、Sc2O3、Ta2O5、TiO2、V2O5、Y2O3、ZnO、ZrO2、以及它们的复合金属氧化物组成的组的第二金属氧化物，其中所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物彼此不同，其中所述玻璃陶瓷具有至少13GPa的硬度，其中所述玻璃陶瓷具有彼此垂直的x、y和z维度，并且所述x和y维度各自为至少10毫米，并且其中基于所述玻璃陶瓷的总重量，所述玻璃陶瓷含有不超过20重量％的SiO2、不超过20重量％的B2O3、以及不超过40重量％的P2O5；包括力耗散材料的第二层；以及将所述第一层的至少一部分附连到所述第二层的粘结材料。
2. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述第一金属氧化物选 自由八1203、 REO、 Ti02、 Y203、 Zr02、以及它们的复合金属氧化物组 成的组。
3. 根据权利要求l所述的复合材料，其中基于所述玻璃陶瓷的总 重量，所述玻璃陶瓷包括总共不超过20重量％的8203、 Ge02、 P205、 Si02、 Te02、以及它们的组合。
4. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述力耗散材料包括选 自由聚碳酸酯、聚丙烯酸类、乙酸丁酸纤维素、尼龙、聚烯烃、聚酯、 聚氨酯、以及它们的组合组成的组的材料。
5. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述力耗散材料包括选 自由聚氨酯、聚酰胺纤维、浇铸丙烯酸、聚碳酸酯、镁、铝、铁、以 及它们的组合组成的组的材料。
6. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述粘结材料包括选自由聚氨酯粘接剂、聚丁基乙烯基物质、热固性树脂、紫外线可固化树 脂、丙烯酸类粘接剂、以及它们的组合组成的组的材料。
7. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述玻璃陶瓷包括选自由结晶金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、以及金 刚石组成的组的非玻璃材料。
8. 根据权利要求l所述的复合材料，其中所述玻璃陶瓷具有至少 15 GPa的硬度。
9. 一种制备复合透明材料的方法，包括提供多个玻璃坯体，所述玻璃坯体包括第一金属氧化物和第二金 属氧化物，其中所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物彼此不同，所述玻璃坯体具有Tg和Tx,其中Tg和Tx之间的差值为至少5摄氏度， 并且其中基于所述玻璃坯体的总重量，所述玻璃坯体包含不超过20重 量％的Si02、不超过20重量％的B203、以及不超过40重量％的P205;加热所述玻璃坯体至所述Tg以上并聚结所述多个玻璃坯体的至少 一部分，以提供大块的玻璃坯体；对所述大块玻璃坯体进行热处理，以形成玻璃陶瓷；提供力耗散材料；将粘结材料施加至所述玻璃陶瓷和所述力耗散材料中的至少一 种；并且层合所述玻璃陶瓷和所述力耗散材料。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属氧化物和第二金属氧化物选自由A1203、 Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02、以及它们的复合金属氧化物组成的组。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中基于所述玻璃陶瓷的总重 量，所述玻璃陶瓷包括总共不超过20重量％的B203、 Ge02、 P205、 Si02、 Te02、以及它们的组合。
12. 根据权利要求9所述的方法，其中所述粘合材料包括选自由 聚氨酯粘接剂、聚丁基乙烯基物质、热固性树脂、紫外线可固化树脂、 丙烯酸类粘接剂、以及它们的组合组成的组的材料。
13. 根据权利要求9所述的方法，其中所述力耗散材料包括选自 由聚碳酸酯、聚丙烯酸类、乙酸丁酸纤维素、尼龙、聚烯烃、聚酯、 聚氨酯、以及它们的组合组成的组的材料。
14. 根据权利要求9所述的方法，其中所述力耗散材料包括选自 由聚氨酯、聚酰胺纤维、浇铸丙烯酸、聚碳酸酯、镁、铝、铁、以及 它们的组合组成的组的材料。
15. 根据权利要求9所述的方法，其中所述玻璃陶瓷包括选自由 结晶金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、以及金刚 石组成的组的非玻璃材料。
16. —种制备复合透明材料的方法，包括提供玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包括选自由Al203、CaO、CoO、Cr203、 CuO、 Fe203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、 Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02、以及它们的复合金属氧化物组成的组 的第一金属氧化物，和选自由A1203、 Bi203、 CaO、 CoO、 Cr203、 CuO、 Fe203、 Ga203、 Hf02、 MgO、 MnO、 Nb205、 NiO、 REO、 Sc203、 Ta205、Ti02、 V205、 Y203、 ZnO、 Zr02、以及它们的复合金属氧化物组成的组 的第二金属氧化物，其中所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物 彼此不同，其中所述玻璃陶瓷具有至少13GPa的硬度，其中所述玻璃 陶瓷具有彼此垂直的x、 y和z维度，并且所述x和y维度各自为至少IO毫米；提供力耗散材料；将粘结材料施加至所述玻璃陶瓷和所述力耗散材料中的至少一 种；并且层合所述玻璃陶瓷和所述力耗散材料。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中基于所述玻璃陶瓷的总重 量，所述玻璃陶瓷包括总共不超过20重量％的B203、 Ge02、P205、 Si02、 Te02、以及它们的组合。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中所述粘合材料包括选自由 聚氨酯粘接剂、聚丁基乙烯基物质、热固性树脂、紫外线可固化树脂、 丙烯酸类粘接剂、以及它们的组合组成的组的材料。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中所述力耗散材料包括选自 由聚碳酸酯、聚丙烯酸类、乙酸丁酸纤维素、尼龙、聚烯烃、聚酯、 聚氨酯、以及它们的组合组成的组的材料。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中所述玻璃陶瓷包括选自由 结晶金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、以及金刚 石组成的组的非玻璃材料。
全文摘要
本发明公开了装甲复合材料和包括第一层的装甲复合材料的制造方法，所述第一层包括玻璃陶瓷、力耗散材料和将所述第一层的至少一部分附连到所述第二层的粘结材料。
文档编号B32B17/04GK101448637SQ200780017919
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月2日 优先权日2006年5月17日
发明者唐娜·W·班格, 阿纳托利·Z·罗森夫兰茨 申请人:3M创新有限公司