一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构及制备方法

本发明涉及装甲多功能防护，特别涉及一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构及制备方法。

背景技术：

1、由于装甲车辆特殊的结构特性和工作环境，装甲车辆通常会受到噪声及高温的影响，这会严重损坏车辆性能，不利于保护乘员的健康，因此发明一种具有隔热吸声的多功能装甲防护结构非常有必要。

2、装甲防护抗冲击的方法主要有两种，一种是载荷耗散，采用坚硬的金属或陶瓷表面，将点集中的冲击载荷转变为面冲击，减少应力集中点；第二种是能量吸收，将冲击能量通过结构变形的方式来吸收耗散，从而达到抗冲击目标。自然界中生物经过亿万年的进化拥有优异的特性，给装甲防护设计提供了好的思路。巨骨舌鱼鳞片独特的结构、排列方式以及微观上旋转分层的特征，使得其可以抵挡食人鱼牙齿的攻击，在吸能抗冲击方面有独特的优势。而隔热吸声功能多依赖于材料性能，气凝胶作为世界上密度最小的固体，由于其高度开放的孔隙结构，可以阻挡热传导，吸收声波能量，具有优异的绝热性能和吸音性能。

3、针对现有装甲防护结构的功能单一、材料结构的局限性以及整体质量过重等问题，本发明借鉴自然界中巨骨舌鱼鳞片，通过材料和结构设计的结合，提出一种仿巨骨舌鱼鳞片的隔热吸声多功能装甲防护结构及制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决背景技术中的不足而提供一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构及制备方法。

2、一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，包括仿鳞片表层和夹层结构，仿鳞片表层设置在夹层结构上表面；

3、所述夹层结构包括夹层上面板、夹层点阵结构、夹层填充结构、夹层下面板，夹层上面板和夹层下面板相对设置，所述夹层点阵结构和夹层填充结构设置在夹层上面板与夹层下面板之间，夹层填充结构包裹着夹层点阵结构；

4、所述仿鳞片表层由多个单鳞片结构按照一定重叠方式排列而成；

5、两单鳞片结构相邻排列，下一层单鳞片结构部分覆盖在上一层单鳞片结构上，每个单鳞片结构被相邻的三个单鳞片结构部分覆盖，同时自身也部分覆盖了三个单鳞片结构；

6、所述单鳞片结构左右对称，上下两端为两半径不同的扇形，两个扇形之间由两条直线连接；

7、单鳞片结构包括陶瓷层和纤维层。

8、优选的，所述陶瓷层的材料为sic陶瓷，所述纤维层的材料为uhmwpe纤维，所述陶瓷层与纤维结合层采用热压粘结成型方法连接；热压温度为140℃，压力为7mpa，热压2h，随后冷却至室温。

9、优选的，所述单鳞片结构上端扇形对应的圆心角为θ1，半径为r1；下端扇形的圆心角为θ2，半径为r2；

10、所述单鳞片结构的总面积s为：

11、而

12、故，

13、所述单鳞片结构(11)的覆盖面积s*为：

14、

15、故

16、所述单鳞片结构的覆盖率为ε＝s*/s。

17、优选的，所述夹层点阵结构由点阵单胞结构在xyz轴上分别矩形阵列得到；

18、点阵单胞结构在x轴和y轴上分别阵列7次，在z轴上阵列2次；

19、点阵单胞结构包括外部直杆和内部曲杆，且内部曲杆嵌设在外部直杆内；

20、外部直杆是内凹负泊松比结构以z轴为旋转轴，以90°为旋转角度圆形阵列两次得到外部直杆；

21、内部曲杆是旋转角度杆以z轴为旋转轴，以90°为旋转角度圆形阵列四次得到内部曲杆；

22、所述旋转角度杆的圆心位于外部直杆的水平杆上。

23、优选的，所述夹层填充结构的材料为气凝胶。

24、一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构的制备方法，包括以下步骤：

25、步骤一，选择正硅酸四乙酯为硅源，乙醇为溶剂，与去离子水和催化剂以1：0.02：2：0.05的质量比混合，搅拌40min充分搅拌溶液至均匀，硅源前驱体通过化学反应生成溶胶，在室温下静置12h；

26、步骤二，将步骤一制备的溶胶和氨水混合，调节ph值为7.5，静置形成凝胶，将凝胶浸入无水乙醇，浸泡3次，每次10h；

27、步骤三，将夹层上面板、夹层点阵结构和夹层下面板放入定制的模具中；

28、步骤四，将步骤二制备的凝胶倒入步骤三已放置夹层上面板、夹层点阵结构和夹层下面板的模具中，凝胶没过夹层点阵结构且低于模具高度；

29、步骤五，常压条件下进行干燥，首先在70℃下干燥2h，然后在150℃下干燥2h，取出，脱模得到夹层结构；

30、步骤六，将环氧树脂和固化剂按照1：3的比例混合，使用搅拌器搅拌5分钟制得粘结剂，将单鳞片结构依次粘结在夹层上面板，常温下固化4h。

31、本发明的有益效果：

32、本发明以巨骨舌鱼鳞片为仿生原型，仿照其鳞片形状，排列方式和重叠度等设计仿鳞片表层，采用坚硬、抗冲击效果优异的sic陶瓷材料，重叠排列的单鳞片结构可以减少局部的应力集中，使整体结构更加稳定。同时，提取巨骨舌鱼鳞片微观特征进行结构设计，与具有更高抗冲击剪切性能的负泊松比结构相结合，在保证强度和硬度的基础上，其变形能力更加优异，最后，由于气凝胶填充到点阵夹层结构中，进一步增强结构的强度和能量吸收能力，其防护效果优异；

33、气凝胶作为填充结构，包裹在点阵结构周围，通过高度多孔的结构，具有较低的导热性能和优异的吸音隔音效果，同时，夹层点阵结构具有周期性、重复性，通过声波的散射和干涉实现降噪的功能，本发明可以在提供高抗冲击及吸能效果的同时，提供良好的热隔离效果与优异的吸声抗噪性能，实现多功能防护；

34、实现陶瓷、金属和气凝胶的多材料复杂结构的制备，这种制备方法在装甲防护等领域提供了多功能多材料的解决方案。

技术特征：

1.一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，其特征在于：包括仿鳞片表层(1)和夹层结构(2)，仿鳞片表层(1)设置在夹层结构(2)上表面；

2.根据权利要求1所述的一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，其特征在于：所述陶瓷层(111)的材料为sic陶瓷，所述纤维层(112)的材料为uhmwpe纤维，所述陶瓷层(111)与纤维结合层112采用热压粘结成型方法连接；热压温度为140℃，压力为7mpa，热压2h，随后冷却至室温。

3.根据权利要求2所述的一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，其特征在于：所述单鳞片结构(11)上端扇形对应的圆心角为θ1，半径为r1；下端扇形的圆心角为θ2，半径为r2；

4.根据权利要求3所述的一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，其特征在于：所述夹层点阵结构(22)由点阵单胞结构(220)在xyz轴上分别矩形阵列得到；

5.根据权利要求4所述的一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构，其特征在于：所述夹层填充结构(23)的材料为气凝胶。

6.一种权利要求5所述仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种仿巨骨舌鱼鳞片的多功能装甲防护结构及制备方法，包括仿鳞片表层和夹层结构，仿鳞片表层设置在夹层结构上表面；夹层结构包括夹层上面板、夹层点阵结构、夹层填充结构、夹层下面板，夹层上面板和夹层下面板相对设置，所述夹层点阵结构和夹层填充结构设置在夹层上面板与夹层下面板之间，夹层填充结构包裹着夹层点阵结构；仿鳞片表层由多个单鳞片结构按照一定重叠方式排列而成；单鳞片结构包括陶瓷层和纤维层，本发明将气凝胶填充到点阵夹层结构中，进一步增强结构的强度和能量吸收能力，防护效果优异，同时具有突出的绝热性能和吸声性能。

技术研发人员：于征磊,陈立新,信仁龙,刘瑞尧,徐泽洲,沙鹏威,王清扬,张超磊,郭滨恺
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15