一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板及其制造方法

1.本发明涉及防弹装备技术领域，尤其涉及一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板及其制造方法。


背景技术：

2.防弹插板作为一种单兵弹道防护装备，在保护士兵生命安全、维持部队士气与战斗力、保证行动成功等方面起到了至关重要的作用。随着武器装备的迅速发展，在实战环境下，士兵遭受弹丸及破片袭击的风险日益增大，为了保障单兵的生命安全和提高单兵作战的灵活性，发展轻质、高防弹性能的防弹装备尤为必要。
3.现有的防弹插板是将整板式陶瓷面板或将多个块状陶瓷片粘贴在纤维复合材料背板上，该结构的防弹插板在经受一发子弹打击后，陶瓷块容易碎裂飞溅，当面对二次以及多次弹丸冲击时其防护能力大幅度下降，影响防弹插板的抗多发子弹打击性能。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板，其解决了现有防弹插板的抗多发弹的防护能力不足的技术问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板包括：
8.仿生主防弹层，所述仿生主防弹层包括硬质陶瓷面板，所述硬质陶瓷面板包括行列式紧密排布的多个封装陶瓷单元，所述封装陶瓷单元包括呈块状的橡胶陶瓷柱结构和包裹所述橡胶陶瓷柱结构的包裹布，所述橡胶陶瓷柱结构包括行列式紧密排布的多个陶瓷柱和填充于所述陶瓷柱之间的橡胶体；
9.缓冲吸能层；以及
10.内层，所述缓冲吸能层叠置于所述仿生主防弹层与所述内层之间。
11.优选地，每个所述封装陶瓷单元的第一侧设置有凸块且与第一侧相对的第二侧上设置有凹槽，同一行的任意一个所述封装陶瓷单元的所述凸块能够与相邻的所述封装陶瓷单元的凹槽相互卡接。
12.优选地，任意一行所述封装陶瓷单元与另一行相邻的所述封装陶瓷单元之间通过胶黏剂粘接；
13.任意一行中的任意一个所述封装陶瓷单元与相邻一行中的任意一个所述封装陶瓷单元相互错位。
14.优选地，所述包裹布为高性能纤维布，所述高性能纤维布通过胶黏剂粘接包裹于所述橡胶陶瓷柱结构外。
15.优选地，所述高性能纤维布为超高分子量聚乙烯纤维与玄武岩纤维混杂获得的织布。
16.优选地，所述轻量化仿生防弹插板包括以下三种技术方案中的至少一种：
17.第一，所述陶瓷柱为圆柱形，所述陶瓷柱的两端均为弧面凸起，所述弧面凸起能够改变子弹的射入角度；
18.第二，所述橡胶体为包裹所述陶瓷柱的室温硫化硅橡胶；
19.第三，所述陶瓷柱的材质为碳化硅、碳化硼、氧化铝、氮化铝和硼化钛中的至少一种。
20.优选地，所述缓冲吸能层以及所述内层均为高性能纤维层压板。
21.优选地，所述高性能纤维层压板的材料为超高分子量聚乙烯纤维；
22.或者，所述高性能纤维层压板为超高分子量聚乙烯纤维与辅料纤维混杂的层压板，所述辅料纤维为碳纤维、pbo纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的至少一种，其中，所述超高分子量聚乙烯纤维在所述高性能纤维层压板中的质量占比大于或等于60％。
23.优选地，所述仿生主防弹层通过胶黏剂粘接于所述缓冲吸能层上，所述缓冲吸能层通过胶黏剂粘接于所述内层上；
24.和/或，所述仿生主防弹层还包括对所述硬质陶瓷面板的四周进行包边密封的聚氨酯密封条。
25.进一步地，本发明还提供一种轻量化仿生防弹插板的制造方法，所述制造方法用于制作上述的一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板，其包括以下步骤：
26.多个圆柱形的陶瓷柱矩形阵列排布于涂覆有已完全干燥石蜡的矩形模具中，向所述矩形模具中浇注室温硫化硅橡胶，经过6-8小时常温固化形成块状的橡胶陶瓷柱结构；
27.在所述橡胶陶瓷柱结构的第一侧设置凸块且与所述第一侧相对的第二侧上设置凹槽；
28.根据所述橡胶陶瓷柱结构的形状剪裁高性能纤维布，采用胶黏剂将一层或多层所述高性能纤维布粘接包覆于所述橡胶陶瓷柱结构外形成封装陶瓷单元；
29.将多个所述封装陶瓷单元用胶黏剂铺排粘接在缓冲吸能层上，并且使同一行的任意一个所述封装陶瓷单元的所述凸块能够与相邻的所述封装陶瓷单元的凹槽相互卡接，任意一行中的任意一个所述封装陶瓷单元与相邻一行中的任意一个所述封装陶瓷单元相互错位；行列式紧密排布的多个所述封装陶瓷单元形成硬质陶瓷面板；
30.采用聚氨酯密封条对所述硬质陶瓷面板的四周进行包边密封，形成仿生主防弹层；
31.在所述缓冲吸能层的与所述仿生主防弹层相对的一面上叠置内层，所述仿生主防弹层、所述缓冲吸能层和所述内层通过热压罐成型法压制形成轻量化仿生防弹插板。
32.(三)有益效果
33.本发明借鉴了牙齿软硬结合的多级梯度分层结构和贝壳交替叠合的“砖-泥”结构，将防弹插板设计成软硬结合的三层结构，具体包括仿生主防弹层、缓冲吸能层和内层。仿生防弹层是一种有序排列的分级结构，其为多个封装的陶瓷单元按照贝壳的“砖-泥”结构粘接而成的硬质陶瓷面板。
34.陶瓷柱两端设计成弧状的凸起，能改变子弹射入防弹插板的角度，减小子弹碰撞防弹插板垂直射击方向的冲击力和速度，便于冲击能的耗散，从而减小子弹对防弹插板的贯穿深度。硅橡胶室温硫化后会形成弹性体，有良好的减震吸能效果，既能缓冲子弹冲击过
程中的应力波传递，阻止裂纹进一步扩展又能保证子弹冲击过程中相邻陶瓷柱连接处的抗弹能力，同时使得多个陶瓷柱之间既相互约束又各自独立存在。利用高性能纤维对块状硅橡胶陶瓷柱结构进行全方位的约束，能增强其拉伸强度和抗冲击性能，防止陶瓷碎片飞溅，提升插板的抗多发弹冲击性能。两个相邻的纤维布和硅橡胶包覆的陶瓷柱结构之间通过凹凸槽结构进行连接，在不使防弹面板重量增加的前提下，进一步提升其防弹性能。缓冲吸能层和内层则能起到吸收弹丸冲击能量和抑制背凸的作用。
35.与传统防弹插板相比，仿生防弹插板起到改变弹丸方向、消耗弹丸冲击动能、抑制裂纹扩展、阻止陶瓷块破裂飞溅的作用，提高了防弹插板抵抗多发子弹冲击的能力，在降低了对人体的伤害程度的同时，还可以实现对防弹插板的修复，使得防弹插板可以进行二次利用。
附图说明
36.图1为本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的分解结构示意图；
37.图2为本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的封装陶瓷单元的分解示意图；
38.图3为本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的封装陶瓷单元的结构示意图；
39.图4为本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的相邻的封装陶瓷单元的凹槽和凸块的配合示意图；
40.图5为本发明的抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的陶瓷柱的结构示意图。
41.【附图标记说明】
42.1：仿生主防弹层；11：封装陶瓷单元；111：橡胶陶瓷柱结构；112：包裹布；113：凸块；114：凹槽；1111：陶瓷柱；1112：橡胶体；2：缓冲吸能层；3：内层。
具体实施方式
43.为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”......等方位名词以图4的定向为参照。
44.为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.如图1所示，本发明提供一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板，其包括仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3，仿生主防弹层1包括硬质陶瓷面板，硬质陶瓷面板包括行列式紧密排布的多个封装陶瓷单元11，封装陶瓷单元11包括呈块状的橡胶陶瓷柱结构111和包裹橡胶陶瓷柱结构111的包裹布112，橡胶陶瓷柱结构111包括行列式紧密排布的多个陶瓷柱1111和填充于陶瓷柱1111之间的橡胶体1112；缓冲吸能层2叠置于仿生主防弹层1与内层3之间。
46.在该实施方式中，仿生主防弹层1是由多个封装陶瓷单元11粘接而成的硬质陶瓷面板，采用多个封装陶瓷单元11构成封装陶瓷面板的结构设计相较于传统的整板式陶瓷防弹插板而言，组成封装陶瓷面板的封装陶瓷单元11彼此独立，在破损后便于实现对防弹插板的修复和二次利用。根据上述结构，封装陶瓷单元11借鉴贝壳交替叠合的“砖-泥”结构，
橡胶体1112的填充既能约束陶瓷柱1111又使各个陶瓷柱1111之间相互独立，且橡胶体1112有良好的缓冲吸能效果，能有效的缓冲子弹冲击过程中的应力波传递，阻止裂纹进一步的扩展，还可以保证子弹冲击过程中相邻陶瓷柱1111连接处的抗弹能力。而采用包裹布112包裹橡胶陶瓷柱结构111可以在重量不增加的情况下，避免破碎的陶瓷柱1111碎片飞溅，有效的防止二次伤害。仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3的排列，借鉴了人体牙齿软硬结合的多级梯度分层结构，将防弹插板设计成软硬结合的三层结构，多级梯度分层结构的应用能够有效抵抗磨损和穿透，提高防弹插板的抗打击能力和防护能力。同时，与整板式陶瓷面板相比，对于已经被弹丸侵彻破坏的防弹插板可以进行二次利用。通过去除局部破损的封装陶瓷单元11及其残渣，然后在原位填充新的封装陶瓷单元11，即可以实现对防弹插板的修复。而且，由于组成仿生防弹层1的陶瓷柱1111彼此独立，当遭受高速弹丸侵彻时，只有被弹丸侵彻的陶瓷柱1111及其四周的几个陶瓷柱1111发生破碎，其他部分仍能保持原有抗弹性能。
47.如图3和图4所示，每个封装陶瓷单元11的第一侧设置有凸块113且与第一侧相对的第二侧上设置有凹槽114，同一行的任意一个封装陶瓷单元11的凸块113能够与相邻的封装陶瓷单元11的凹槽114相互卡接。同一行中相邻的封装陶瓷单元11之间通过凹槽114和凸块113进行连接，可以在不增加防弹面板重量的前提下，提升防弹插板的抗多发弹性能，从而保证防弹插板的轻质和高防弹性能。
48.再次参见图1，在一优选的实施方式中，任意一行封装陶瓷单元11与另一行相邻的封装陶瓷单元11之间通过胶黏剂粘接；任意一行中的任意一个封装陶瓷单元11与相邻一行中的任意一个封装陶瓷单元11相互错位。相邻行的封装陶瓷单元11通过胶黏剂粘接，相邻一行的封装陶瓷单元11有滑移趋势时，行间的滑移通过层间的粘弹性的胶黏剂来传递，这些粘弹性的胶黏剂在片层产生较大的相对滑移时能产生与子弹冲击力作用效果相反的粘聚力，阻止上下叠合的纤维布包覆的硅橡胶陶瓷块状结构进一步滑移，同时耗散一部分冲击能量。
49.参见图2，包裹布112为高性能纤维布，高性能纤维布通过胶黏剂粘接包裹于橡胶陶瓷柱结构111外。高性能纤维布为超高分子量聚乙烯纤维与玄武岩纤维混杂获得的织布。高性能纤维布的应用，可以对橡胶陶瓷柱结构111起到进一步地约束，同时可以对受到冲击破碎的陶瓷碎片起到一定的阻拦，避免陶瓷碎片飞溅造成二次伤害。高性能纤维布是由高性能纤维制成的复合材料，高性能纤维具有极高的机械性能，是一种高强度、高弹性模量、耐高温、密度低、易于加工的纤维材料。采用高性能纤维制成的高性能纤维布，能增强封装陶瓷单元11的拉伸强度和抗冲击性能，并能够在弹击过程中进一步防止陶瓷碎片飞溅，进一步提升插板的抗多发弹冲击性能。超高分子量聚乙烯纤维包覆的硅橡胶陶瓷块状结构单元长度可以为25～35mm，宽度可以为15～25mm，高度可以为5～15mm，更优选地，长度为30mm，宽度为20mm，高度为10mm。
50.如图4和图5所示，在一更优选的实施方式中，陶瓷柱1111为圆柱形，陶瓷柱1111的两端均为弧面凸起，弧面凸起能够改变子弹的射入角度，同时陶瓷柱1111的轴向垂直于缓冲吸能层2排列，陶瓷柱1111柱身直径可以为8～12mm，优选为10mm，柱身高度可以为5～9mm，优选为7mm，两侧弧形凸起高度一致，均为1.5mm左右。陶瓷柱1111设计成两端弧状的凸起，会改变子弹射入防弹插板的角度，增加航行距离并减小子弹侵入防弹插板垂直射击方
向的冲击力，使得插板的仿生主防弹层1更有利于减小子弹碰撞防弹插板时的冲击力和速度，便于冲击能的耗散，从而减小子弹对防弹插板的贯穿深度。
51.此外，橡胶体1112为包裹陶瓷柱1111的室温硫化硅橡胶；室温硫化硅橡胶具有良好的流动性，且室温硫化硅橡胶在5℃-30℃之间即可固化，便于大规模的生产制造，同时室温硫化硅橡胶可以起到防潮、防腐的保护作用，具有良好的减震吸能效果，既能缓冲子弹冲击过程中的应力波传递，阻止裂纹进一步扩展，又能保证子弹冲击过程中相邻陶瓷柱1111间连接处的抗弹能力，同时使得多个陶瓷柱1111之间既相互约束又各自独立存在，使防弹插板抵抗多发弹的性能提升。
52.由于陶瓷是一种脆性材料，它的破坏形式是断裂而非塑性变形。当弹丸高速冲击防弹插板时，冲击表面形成破裂锥体，裂纹会在锥形体内扩展，若不加约束，由于应力波传播速度和裂纹扩展速度都远大于弹丸侵彻速度，当弹丸尚未穿透防弹插板时，陶瓷早已全面破碎而飞溅散开，不能对弹丸起进一步的阻挡作用，防弹插板的防弹能力会下降。而本发明提供的一种防弹插板，当弹丸高速冲击防弹插板时，其陶瓷柱1111在橡胶体1112和包裹布112的作用下，裂纹无法进一步扩展，陶瓷柱1111不会全部碎裂飞溅开，当子弹进一步入侵防弹插板时，没有空隙为弹丸让道，因此子弹需要消耗更多的能量来继续粉碎前面的陶瓷，直至子弹将前端陶瓷全部粉碎成粉末状之后，此时，子弹要将陶瓷粉末沿侵彻的反方向挤出后才能进一步前进。在此过程中，子弹的冲击能量被耗散，防弹插板的抗多发弹的性能得以提升。
53.进一步地，陶瓷柱1111的材质为碳化硅、碳化硼、氧化铝、氮化铝和硼化钛中的至少一种。使用上述材料构成的陶瓷柱1111，在保留了高硬度的同时，极大增强的增强了陶瓷柱1111的韧性，在受到冲击时有效地抑制裂纹扩展，缓解冲击，提高了对子弹的抵抗能力。
54.在一优选地实施方式中，缓冲吸能层2以及内层3均为高性能纤维层压板，高性能纤维层压板的材料可以全部为超高分子量聚乙烯纤维。或者，高性能纤维层压板可以为超高分子量聚乙烯纤维与辅料纤维混杂的层压板，辅料纤维为碳纤维、pbo纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的至少一种，其中，超高分子量聚乙烯纤维在高性能纤维层压板中的质量占比大于或等于60％。超高分子量聚乙烯纤维有较好的柔韧性和重量轻的特点，玄武岩纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等优异性能。利用超高分子量聚乙烯和玄武岩纤维混杂的纤维布对橡胶陶瓷柱结构111进行全方位的约束，既能增强其拉伸强度和抗冲击性能，还能够在弹击过程中进一步防止陶瓷碎片飞溅，进一步提升插板的抗多发弹冲击性能。
55.为进一步提升防弹插板的抗多发弹能力，仿生主防弹层1通过胶黏剂粘接于缓冲吸能层2上，缓冲吸能层2通过胶黏剂粘接于内层3上。胶黏剂为环氧-酚醛结构胶黏剂。缓冲吸能层2和内层3可以起到吸收弹丸冲击能量和抑制背凸的作用，内层3还用于支撑主防弹层和缓冲吸能层2。而具有粘弹性的胶黏剂在将仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3粘接在一起的同时，胶黏剂在层间同样也能起到缓冲吸能的作用。环氧-酚醛胶黏剂是热固性酚醛树脂与环氧树脂的混合物，其在很宽的温度范围内均有较高的剪切强度和拉伸强度，可以进一步的提升防弹插板抗多发弹能力。和/或，仿生主防弹层1还包括对硬质陶瓷面板的四周进行包边密封的聚氨酯密封条。采用聚氨酯密封条对硬质陶瓷面板的四周进行包边密封，既能起到密封防水防油的作用，还可以在一定程度上减震。
56.此外，本发明还提供一种抗多发弹的轻量化仿生防弹插板的制造方法，以用于制造上述各实施方式中的轻量化仿生防弹插板，该制造方法包括以下步骤：
57.多个圆柱形的陶瓷柱1111矩形阵列排布于涂覆有已完全干燥石蜡的矩形模具中，向矩形模具中浇注室温硫化硅橡胶，经过6-8小时常温固化形成块状的橡胶陶瓷柱结构111；
58.在橡胶陶瓷柱结构111的第一侧设置凸块113且与第一侧相对的第二侧上设置凹槽114；
59.根据橡胶陶瓷柱结构111的形状剪裁高性能纤维布，采用胶黏剂将一层或多层高性能纤维布粘接包覆于橡胶陶瓷柱结构111外形成封装陶瓷单元11；
60.将多个封装陶瓷单元11用胶黏剂铺排粘接在缓冲吸能层2上，并且使同一行的任意一个封装陶瓷单元11的凸块113能够与相邻的封装陶瓷单元11的凹槽114相互卡接，任意一行中的任意一个封装陶瓷单元11与相邻一行中的任意一个封装陶瓷单元11相互错位；行列式紧密排布的多个封装陶瓷单元11形成硬质陶瓷面板；
61.采用聚氨酯密封条对硬质陶瓷面板的四周进行包边密封，形成仿生主防弹层1；
62.在缓冲吸能层2的与仿生主防弹层1相对的一面上叠置内层3，仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3通过热压罐成型法压制形成轻量化仿生防弹插板。仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3均呈弧形，充分考虑对人体的贴合性，尽可能增大冲击波着力身体的面积，分散弹丸对插板的冲击力。仿生防弹插板尺寸可以为200～250mm
×
250～300mm，优选为250mm
×
300mm。仿生主防弹层1的厚度可以为10～12mm，优选为10mm，缓冲吸能层2的厚度可以为5-7mm，内层3的厚度可以为6-8mm，缓冲吸能层2和内层3均优选为7mm。
63.在该制造方法中矩形模具为不锈钢模具。在清理干净的不锈钢的矩形模具的表面和边缘涂覆一层石蜡，晾晒至表面和边缘完全干燥。将圆柱形的陶瓷柱1111紧密排列在不锈钢模具中，并向不锈钢磨具中浇注室温硫化硅橡胶，硅橡胶良好的流动性能浸润陶瓷柱1111及其间隙处，常温固化。使用不锈钢的矩形模具，旨在于利用其极强的耐腐蚀性，以使模具可以重复多次使用。而室温硫化硅橡胶则使得各个陶瓷柱1111之间既相互约束又各自独立存在，还可以在受到冲击时吸收冲击力，提升防弹插板的抗多发弹性能。该制造方法中，仿生主防弹层1、缓冲吸能层2和内层3之间用环氧-酚醛树脂胶黏剂粘接在一起，具有粘弹性的胶黏剂在层间起到缓冲吸能的作用。内层3则起到支撑仿生主防弹层1和缓冲吸能层2，缓冲和吸收弹丸冲击能量和抑制背凸的作用。且该制造方法简单、方便，便于大规模地生产制造。
64.通过该制造方法制造的防弹插板与整板式陶瓷面板相比，对于已经被弹丸侵彻破坏的防弹插板还可以进行修复，防弹插板能够进行二次利用。
65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
66.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
68.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。