一种高硬度防弹织构涂层及其制备方法

本发明属于装甲防护材料，具体地，涉及一种高硬度防弹织构涂层及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷材料作为非金材料的关键一员，拥有大量极具吸引力的性能，如良好的机械性能和电化学性能、结构致密均匀、耐磨损和耐腐蚀等等，因此应用领域非常广泛。由于陶瓷材料的高比刚度、高比强度和在复杂环境下的化学惰性，同时相对于金属材料所具有的低密度、高强度、高硬度和高抗压强度，使其在装甲系统上具有十分广阔的应用前景，并已广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等和防护装甲中。目前，国内外已工程化应用的防弹装甲陶瓷主要有碳化硼、氧化铝、碳化硅等，这些陶瓷材料虽然硬度高，但是韧性低，使其在受到冲击时发生大面积碎裂，影响其二次防护能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高硬度防弹织构涂层及其制备方法，通过超音速等离子喷涂技术在高硬度陶瓷层的第一面和第二面喷涂上韧性层和下韧性层，然后利用等离子刻蚀技术在上韧性层和下韧性层的表面刻蚀得到织构结构，最后在上韧性层和下韧性层表面喷涂聚脲涂料，得到高硬度防弹织构涂层，该高硬度防弹织构涂层具有抗多发弹的能力，防弹性能优异。

2、本发明要解决的技术问题：国内外已工程化应用的防弹装甲陶瓷主要有碳化硼、氧化铝、碳化硅等，这些陶瓷材料虽然硬度高，但是韧性低，使其在受到冲击时发生大面积碎裂，影响其二次防护能力。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种高硬度防弹织构涂层，包括上涂层、上韧性层、高硬度陶瓷层、下韧性层和下涂层，所述上韧性层通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层的第一面，所述下韧性层通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层的与所述高硬度陶瓷层的第一面相背离的第二面，所述上涂层喷涂至上韧性层未与高硬度陶瓷层的第一面相粘接的一面，所述下涂层喷涂至下韧性层未与高硬度陶瓷层的第二面相粘接的一面。

5、其中上涂层和下涂层为聚脲层，上韧性层和下韧性层为金属镍层，高硬度陶瓷层为碳化硅，上韧性层靠近上涂层的一面具有织构结构，下韧性层靠近下涂层的一面具有织构结构。

6、进一步地，上涂层厚度为0.5-1mm；

7、进一步地，下涂层厚度为1-2mm；

8、进一步地，上韧性层厚度为1-2mm；

9、进一步地，下韧性层厚度为2-3mm；

10、进一步地，高硬度陶瓷层厚度为4-6mm；

11、进一步地，织构结构上的形状为六边形，左右两个六边形错位排列，上下两个六边形平行排列，六边形的边长为10-20mm，六边形之间的凹槽呈折线形，凹槽宽度为0.5-1.5mm，凹槽深度为200-500μm。

12、一种高硬度防弹织构涂层的制备方法，包括以下步骤：

13、a1、对高硬度陶瓷层进行喷砂粗化处理，然后采用压缩空气清理表面浮尘，再经过超声波清洗，最后烘干；

14、a2、将镍粉装入送粉器中，经超音速等离子喷涂装置将镍粉喷涂至高硬度陶瓷层的第一面，得到上韧性层；

15、a3、在高硬度陶瓷层的第二面通过超音速等离子喷涂技术镍粉，得到下韧性层；

16、a4、在上韧性层未与高硬度陶瓷层的第一面相粘接的一面和下韧性层未与高硬度陶瓷层的第二面相粘接的一面通过等离子体刻蚀技术得到六边形织构结构；

17、a5、将经过步骤a4操作后的涂层置于真空箱中保温，保温温度为380-420℃，保温时间为1-3h；

18、a6、将异氰酸酯组分和氨基化合物分别装入喷涂机的原料桶中，先分别加热，再混合经过高压雾化，得到聚脲涂料；

19、a7、将步骤a6得到的聚脲涂料通过喷涂机的气枪口喷涂至保温后的上韧性层未与高硬度陶瓷层的第一面相粘接的一面得到上涂层，将聚脲涂料喷涂至保温后的下韧性层未与高硬度陶瓷层的第二面相粘接的一面得到下涂层，通过上涂层和下涂层的涂覆后，就得到了高硬度防弹织构涂层。

20、进一步地，步骤a2和a3中，镍粉粒径为5-45μm，超音速等离子喷涂过程中，喷涂电流为440-580a，喷涂电压为65-71kv，喷涂距离为105-115mm，氢气流量为15-27l/min，氩气流量为85-94l/min，送粉速率为20-30g/min。

21、进一步地，步骤a6中，异氰酸酯组分和氨基化合物的摩尔比为1.08-1.1：1；加热温度为28-32℃。

22、本发明对涂层结构进行设计使其具有多个强界面层结构，上涂层的聚脲具有弹性和在强冲击下的硬化、强化性能，可以吸收部分弹丸冲击能量，应力波到达上韧性层后又被吸收一部分，同时上下韧性层表面的织构结构含有折线形凹槽，当应力波到达高硬度陶瓷层时，陶瓷层会产生裂纹，当裂纹扩展到上韧性层或下韧性层时会沿着裂纹扩展能量消耗少的凹槽扩展，而且本发明的凹槽为折线形，当裂纹遇到弯折处时会被阻挡，进而避免陶瓷层大面积破碎，下韧性层和下涂层吸收残余应力波并约束和支撑陶瓷层，使得本发明的高硬度防弹织构涂层具有抗多发弹的能力。

23、本发明的有益效果：

24、(1)本发明技术方案中，韧性层表面具有六边形织构结构，织构结构上含有的折线形凹槽使聚脲涂料涂覆在韧性层表面时，可以与韧性层呈现出“机械互锁”结构，界面结合强度高，无明显缺陷和界面分层，从而提高涂层防弹能力。

25、(2)本发明技术方案中，对涂层结构进行设计使其具有多个强界面层结构，上涂层的聚脲具有弹性和在强冲击下的硬化、强化性能，可以吸收部分弹丸冲击能量，应力波到达上韧性层后又被吸收一部分，同时上下韧性层表面的织构结构含有折线形凹槽，当应力波到达高硬度陶瓷层时，陶瓷层会产生裂纹，当裂纹扩展到上韧性层或下韧性层时会沿着裂纹扩展能量消耗少的凹槽扩展，而且本发明的凹槽为折线形，当裂纹遇到弯折处时会被阻挡，进而避免陶瓷层大面积破碎，下韧性层和下涂层吸收残余应力波并约束和支撑陶瓷层，使得本发明的高硬度防弹织构涂层具有抗多发弹的能力。

技术特征：

1.一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，包括上涂层(1)、上韧性层(2)、高硬度陶瓷层(3)、下韧性层(4)和下涂层(5)，所述上韧性层(2)通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层(3)的第一面，所述下韧性层(4)通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层(3)的与所述高硬度陶瓷层(3)的第一面相背离的第二面，所述上涂层(1)喷涂至上韧性层(2)未与高硬度陶瓷层(3)的第一面相粘接的一面，所述下涂层(5)喷涂至下韧性层(4)未与高硬度陶瓷层(3)的第二面相粘接的一面；

2.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，上涂层(1)厚度为0.5-1mm。

3.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，下涂层(5)厚度为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，上韧性层(2)厚度为1-2mm。

5.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，下韧性层(4)厚度为2-3mm。

6.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，高硬度陶瓷层(3)厚度为4-6mm。

7.根据权利要求1所述的一种高硬度防弹织构涂层，其特征在于，织构结构上的形状为六边形，左右两个六边形错位排列，上下两个六边形平行排列，六边形的边长为10-20mm，六边形之间的凹槽呈折线形，凹槽宽度为0.5-1.5mm，凹槽深度为200-500μm。

8.一种高硬度防弹织构涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种高硬度防弹织构涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤a2和a3中，镍粉粒径为5-45μm，超音速等离子喷涂过程中，喷涂电流为440-580a，喷涂电压为65-71kv，喷涂距离为105-115mm，氢气流量为15-27l/min，氩气流量为85-94l/min，送粉速率为20-30g/min。

10.根据权利要求8所述的一种高硬度防弹织构涂层的制备方法，其特征在于，步骤a6中，异氰酸酯组分和氨基化合物的摩尔比为1.08-1.1：1；加热温度为28-32℃。

技术总结
本发明涉及一种高硬度防弹织构涂层及其制备方法，属于装甲防护材料技术领域，高硬度防弹织构涂层包括上涂层、上韧性层、高硬度陶瓷层、下韧性层和下涂层，所述上韧性层通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层的第一面，所述下韧性层通过超音速等离子喷涂技术喷涂至高硬度陶瓷层的与所述高硬度陶瓷层的第一面相背离的第二面，所述上涂层喷涂至上韧性层未与高硬度陶瓷层的第一面相粘接的一面，所述下涂层喷涂至下韧性层未与高硬度陶瓷层的第二面相粘接的一面，上韧性层靠近上涂层的一面具有织构结构，下韧性层靠近下涂层的一面具有织构结构。本发明技术方案中，制备的高硬度防弹织构涂层具有抗多发弹的能力，防弹性能优异。

技术研发人员：闫涛,石瑞栋,刘贵民,谢凤宽,万明明,张勇,吕鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军装甲兵学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14