专利名称:混合层叠的透明铠装层的制作方法
技术领域：
本发明涉及混合层叠的透明铠装层系统，具体地，涉及含玻璃-陶瓷材料 和常规玻璃材料的复合铠装层。
背景技术：
用于弹道保护的透明材料(铠装层)包括以下材料(l)常规玻璃，例如，通 常采用浮法制造的钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃；(2)晶体材料，如氧氮化铝 (ALON)，尖晶石和蓝宝石；和(3)玻璃-陶瓷材料("GC")。在最后的一类中，几 个研究组研究了来自Alstom的透明二硅酸锂(lithium disilicate) GC (称作 TransArm)。因为其相对于球形圆体和小碎片的优异重量效率，TransArm具有 提高保护性器件如面罩性能的可能性；对这些材料的抗冲击性能的研究表明， 与非晶形玻璃相比，GC具有高的破坏后强度(post-failure strength)。参见 GB 2 284 655 A; PCT国际专利公开WO 03/022767 Al以及J. C. F. Millett， N. K. Bourne和I.M. Pick叩，Si02-Li20玻璃陶瓷在一维冲击负荷期间的性能(The behaviour of a Si02-Li20 glass ceramic during one-dimensional shock loading), J. Phys.D: A卯l. Phys. 38， 3530-3536 (2005)。其他现有技术 包括(1) US 5, 060， 553和(2) US 5,496,640，分别描述了 (1)铠装层材料， 该材料基于和吸收能量的含纤维背衬层粘合的玻璃陶瓷，和(2)阻燃和抗冲击性的透明层叠物，该层叠物包含玻璃陶瓷和聚合物的平行片，目的是用于能承 受高热量和直接火焰的保险玻璃或防弹玻璃。其他专利或专利申请包括美国
专利5， 045, 371，标题为"玻璃基质徵麥屋(Gh^i/^r"^膨r)"(描述分散 有陶瓷颗粒的钠钙玻璃基质，所述陶瓷不是原位生长在玻璃中的)和美国专利 申请US 2005/0119104 Al (2005)，标题为"使用玻璃-陶瓷材料对运动伤害进 行防护(尸rotec"o/ Fr譜A7/7"ic Z/ i"eats 〃5^./ g 67awCera肌'c 鹏tehs"(描述了基于钙长石(CaAl2Si208)玻璃-陶瓷的不透明铠装层)。
发明概述
一个方面，发明人对玻璃、玻璃-陶瓷和聚碳酸酯层进行弹道测试后发现， 与全GC或全玻璃设计相比，硬质透明GC抗冲击-面层(strike-face)与一个或 多个玻璃或GC中间层的组合提供明显更好的弹道性能，该性能为面密度的变 量。发明人从现有技术中没有发现能受益于这种特定构形的文献。
在一个实施方式中，本发明涉及一种透明铠装层层叠物体系。该层叠物体 系包含至少一层玻璃-陶瓷材料层、至少一层玻璃层、和背衬层(也称作碎裂 层)；其中，玻璃-陶瓷层具有晶体组分和玻璃组分，晶体组分占玻璃-陶瓷的 20-98体积％范围，玻璃组分占玻璃-陶瓷的2-20体积％范围。层叠物体系釆用 在玻璃-陶瓷层、玻璃层和背衬层之间的透明粘合材料构成。可以使用本领域 已知的粘合材料，例如环氧材料。
在另一个方面，本发明涉及透明GC与玻璃的层叠物用于各种铠装层体系 的用途；例如，用于地面车辆和飞行器以及用于个人防护器件的铠装层体系。 这些铠装层体系的光学性质须满足军用铠装层体系的可视透明度以及近IR透 明度要求，其适度密度与较高弹道限度的组合提供以下两个重要品质之一或者 两者
(1) 以较小厚度实现等同于玻璃的弹道性能的能力，从而提供用于铠装层 体系的临界需要的较低重量；和
(2) 以目前用于透明铠装层的同样层叠物厚度实现更优异的弹道性能的能力。
附图简述
图1图示说明常规商业可得的由玻璃和聚碳酸酯背衬组成的铠装层体系。图2图示说明本发明使用玻璃-陶瓷抗冲击面层、 一个或多个玻璃层和聚 碳酸酯背衬的铠装层体系。
图3图示说明与所有可商业获得的浮法玻璃体系相比重量减轻的玻璃-陶 瓷/玻璃。
图4是弹道速率与面密度的关系的图，说明本发明的玻璃-陶瓷/玻璃铠装
层体系相对于其他类型体系的优异性。
图5是说明与所有玻璃层叠物相比，使用玻璃-陶瓷/玻璃层叠物可以实现 重量减轻。
发明详述
本文所用术语"抗冲击面层"表示层叠铠装层中接受射入射弹的面层。 人们一般认为材料的硬度和断裂韧度是促成其弹道性能的因素，但是在静 态材料性质与弹道性能之间的确切关系在经过数十年研究后仍不清楚(参见 J. J. Swab， j eco扁e/7(/a"'o; s1 /br "etei7 i/7J'/^ t/ e jferc/ness o/" Jr/zzoi-Cers肌'cs， Int. J. Applied Ceram. Technol.，第1巻(3) (2004)，第219-225 页)。 一种假设是，理想的铠装层材料必须具有足以击碎射弹的硬度，但是大 于特定阈值时，硬度不再控制性能。如果可以在硬度大于阈值时实现对其他机 械性质(如断裂韧度)的最佳化，则铠装层的性能也可以达到最佳化。
如图1所示， 一种典型的商业化的透明铠装层体系10包括层叠形成复合 层状结构的一层或多层玻璃12(图1中最前的四层)或透明晶体材料，该结构具 有作为背衬的聚合物材料14或作为最底层的"碎片捕集(spall catcher)"，
如图l所示。该复合物结构中层的数量和顺序取决于设计的铠装层体系要对抗 的威胁类型。用于这些层的典型透明玻璃材料是常规玻璃，例如钠钙玻璃和硼 硅酸盐玻璃，通常采用常规的浮法玻璃工艺制造。透明晶体材料是通常的 AL0N(氮氧化铝)、尖晶石和蓝宝石。图1中的灰色箭头ll表示射入的射弹的路径。
虽然已经证实透明晶体AL0N、尖晶石和蓝宝石的重量效率都比玻璃大三倍 以上，表明该铠装层体系能够停止重量小于玻璃基体系的总重量的三分之一的 射弹，这些晶体材料需要使用高费用的粉末加工(ALON和尖晶石)或者晶体生长
(蓝宝石)方法来制备该材料。这些方法本身的费用很高，产品产量较低，制成 的材料进行精研/抛光的费用很高，因此无益于制造要求用作窗户之类的大寸透明材料板。此外，如果特定应用需要弯曲的板，则这种要求会进一步增加 复杂性和费用。结果，这些高性能材料主要用于实验室研究，几乎没有用于现 实情况。
相对于需要高温处理的晶体材料，玻璃提供明显的成本益处。但是，为了 提高玻璃铠装层的弹道性能，必须添加多个层和/或更厚的玻璃。结果，铠装 层的总体重量变得越来越无法被无论是个人还是车辆的"用户"所承受。 一致 的意见是使用创新材料而不是同一种玻璃的基本方案。
作为一类材料，GC结合了玻璃的可制造性与晶体材料的许多有益性质。GC 提供优于常规玻璃的抗射弹穿透的显著优点，所示射弹包括穿甲(硬钢芯)弹。 在玻璃、GC和聚碳酸酯层状物的各种组合的弹道测试中，发明人发现，硬质透 明玻璃-陶瓷抗冲击面层与一层或多层玻璃中间层的组合提供了优于全部玻璃 -陶瓷或者全部玻璃设计的弹道性能，该性能是面密度的变量。图2图示说明 本发明的层叠的铠装层20，该铠装层具有硬质玻璃-陶瓷抗冲击面层26(第一 层或最前层)、多个玻璃层22(接下来的三层)和背衬24(最底层)。背衬层包含 抗碎裂材料如坚韧聚合物。聚碳酸酯经常用作背衬。20表示的体系的优点除了 停止预定速率的射弹(由箭头21表示)(如，特定类型的子弹的出膛速率)外， 与常规玻璃层叠物和甚至玻璃-陶瓷/玻璃-陶瓷层叠物相比，体系20需要的材 料(在厚度和面密度方面)更少。图2中的灰色箭头21表示射入的射弹的路径。
与只有玻璃的层叠物相比，本发明的混合构形提供较小重量，与晶体材料 相比，本发明的混合构形的费用较低，除了上述优点外，本发明的混合构形要 求的玻璃-陶瓷总厚度更小例如，玻璃-陶瓷的厚度为10-20毫米，而相比之 下，另一种只有玻璃-陶瓷的方案的玻璃-陶瓷总厚度要求至少30毫米。本发 明对材料的要求较低，从光透射方面考虑，极大地方便玻璃-陶瓷的制造。因 为玻璃中存在少量杂质如氧化铁，趋于和Ti02(典型的成核剂)反应引起可见光 谱的蓝色端的吸收，所以许多玻璃-陶瓷存在吸收问题。图3示出这一差异， 因此，与"全部浮法玻璃"体系40(该图左侧)相比，使用GC/玻璃层叠物50(该 图右侧)可以通过减少层而达到重量减轻。
玻璃-陶瓷是通过可控的玻璃失透产生的微晶固体。将玻璃熔融、制造成 形，然后通过热处理转化为具有高度均匀微结构的部分结晶的材料。因此，玻 璃-陶瓷含有晶体组分和玻璃组分。可控的结晶的基础主要取决于有效的内部 成核，使得能够形成细小的任意取向的晶粒，没有空隙、微裂纹或其他孔隙。类似于玻璃和陶瓷，GC是脆性材料，其弹性性能最大为产生破裂时的应变。但 是，因为晶体微结构的本性，GC的机械性质包括强度、弹性、断裂韧度和耐磨
性都高于玻璃。发现能应用于透明铠装层应用的玻璃-陶瓷含有20-98体积％晶 体组分和2-80体积％玻璃组分，同时能保持其透明度。
如上所示，对静态材料性质和弹道性能之间的确切关系的了解不深。 一种 假设是理想的铠装层材料必须具有足以击碎射弹的硬度，但是高于一定阈值的 硬度不再能控制弹道性能。这一假设得到适度但绝非给人深刻印象的努普硬度 值(700-730)的支持，例如用尖晶石GC可达到该努普硬度值。透明GC的微结 构通常包含基本均匀分散在整个玻璃-陶瓷中的10-40纳米晶体。所述晶体可 以"较软"的连续玻璃态分散，即在热处理后保留的无定形相。这种微结构可 提高弹道亍呆护。Hasselman禾口 Fulrath ("/^roposeV /1racttLre t/zeory a (//s; ersio/7—stre/ 5t/ e/7e(/gJa5151 ysatri7， J. Am. Ceram. Soc.，第49其月(1966)' 第68-72页)提出一种断裂理论，其中，玻璃内的硬质球形晶体分散体将限制 可能在表面上产生的瑕疵的尺寸，因而能够提高强度。GC的微结构、强度和适 当硬度可以说明其在玻璃-GC混合层叠物中作为抗冲击面层的功效。
对各种玻璃和GC层叠物构形的弹道结果示于图4中。在图4所涉及的所 有层叠物中，使用1/2英寸(约1.27厘米)的软质聚碳酸酯背衬与玻璃和/或玻 璃-陶瓷材料结合。图4是AP弹道限度(停止穿甲弹的能力，单位是英尺/秒) 对层叠物面密度(单位是磅/平方英尺)的图。黑色圆圈代表各种GC-玻璃构形。 对玻璃层叠物商品的相应数据可从以下文献获得Cera肌'c力r節rife"rhhZ^ "es^'肌 ed. ， J. W. McCauley Ed. ， Ceramic Transactions, 第 134巻(2002)。 较好地，在低面密度时产生高弹道限度。图5是说明混合GC-玻璃层叠物与全 部玻璃的层叠物相比重量减少的比较。右面的长方形框示出GC和玻璃(分别为 灰色和白色)对每一数据点的相对厚度。长方形框1-4代表具有可比总厚度和 面密度的层叠物。长方形框1具有最大厚度的玻璃-陶瓷材料，长方形框3具 有最小厚度的玻璃-陶瓷材料。长方形框4全部为玻璃。长方形框5代表厚度 大于长方形框4的全部玻璃的层叠物。
应选择层叠物体系的玻璃-陶瓷部分，使得在选择的透射区(例如，但不限 于，在可见光、红外光和紫外光范围)具有良好透明度和最小光透射损失或畸 变(distortion)。各相、晶体和玻璃的确切百分数取决于玻璃在陶瓷化之前的 组成以及使玻璃结晶的精确热处理。可以按照现有技术和本文揭示的内容陶瓷化的任何玻璃材料都可以用作铠装层层叠物的玻璃-陶瓷组分。此外，玻璃-陶 瓷材料应具有的努普硬度至少为600。玻璃-陶瓷中要求的微结构和结晶度水平 都类似地取决于将遇到的威胁类型和在寻找的多击图案。玻璃-陶瓷的例子包 括但不限于玻璃-陶瓷，其中晶体组分包括(3-石英、尖晶石和多铝红柱石。
铠装层层叠物的玻璃组分可以包含一层或多层玻璃层，每层的厚度在5-50 毫米范围。在一个实施方式中， 一层或多层玻璃层的单独各层的厚度在10-20
毫米范围。玻璃材料可以是满足透射率标准以及在此所述的低畸变的任何玻
璃。这种玻璃的例子包括但不限于钠钙玻璃；氧化硅玻璃；硼硅酸盐玻璃；以 及铝硼硅酸盐玻璃。
用于铠装层层叠物的"碎片捕集"或"背衬"材料通常选自聚合物材料， 例如丙烯酸酯类，聚碳酸酯，聚乙烯，聚酯类，聚砜和用于目前商业可得的 透明铠装层的其他聚合物材料。作为用于本发明的铠装层层叠物中的玻璃-陶 瓷材料和玻璃，碎片捕集材料必须满足透射率和本文所述低畸变的标准。
实施例
在一个实施方式中，透明铠装层层叠物具有玻璃-陶瓷层、 一层或多层玻
璃层、和背衬或碎片捕集层，各层的厚度在10-20毫米范围。玻璃-陶瓷材料 的努普硬度大于600。在另一个实施方式中，努普硬度大于700。
虽然参见有限数量的实施方式描述了本发明，但是，本领域的技术人员应 理解，在不偏离本文揭示的本发明的范围前体下可以利用本文揭示的内容设计 其他实施方式。因此，本发明的范围应只受所附权利要求
书的限制。
权利要求
1.一种透明铠装层层叠物，该层叠物包含多个层，包括包含玻璃-陶瓷的抗冲击面层、包含抗碎裂材料的背衬层、和至少一层包含玻璃的中间层，该中间层层叠在抗冲击面层和背衬层之间。
2. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述玻璃-陶瓷包含20-98 体积％晶体组分和2-80体积％玻璃组分。
3. 如权利要求
2所述的透明锆装层，其特征在于，所述晶体组分的粒度为 10-40纳米。
4. 如权利要求
2所述的透明铠装层，其特征在于，所述晶体组分基本均匀地 分散在玻璃组分内。
5. 如权利要求
2所述的透明铠装层，其特征在于，所述晶体组分选自下组 卩-石英、尖晶石、多铝红柱石，以及它们的组合。
6. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述玻璃-陶瓷的努普硬度 至少为600。
7. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述抗碎裂材料包括聚合 物材料。
8. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述中间层包括多个层， 包括玻璃层和至少一层包含选自玻璃和玻璃-陶瓷的材料的附加层。
9. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述玻璃选自下组钠-钙 玻璃、二氧化硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃，以及它们的混合物。
10. 如权利要求
1所述的透明铠装层，其特征在于，所述铠装层的厚度小于50 毫米。
11. 如权利要求
l所述的透明铠装层，其特征在于，各层的厚度为5-50毫米。
12. —种透明铠装层层叠物，该层叠物包括多个层，包括包含玻璃-陶瓷的抗 冲击面层，所述玻璃-陶瓷具有20-98体积％晶体组分和2-80体积％玻璃组分，层叠物还包括包含聚碳酸酯的背衬层，以及多个中间层，所述中间层层叠在抗冲击面 层和背衬层之间，至少一层中间层包含玻璃，其中，晶体组分选自下组(3-石英、尖晶石、多铝红柱石，以及它们的组 合，粒度为10-40纳米，晶体组分基本均匀地分散在玻璃组分中。
专利摘要
描述一种透明铠装层层叠物体系，该体系使用玻璃-陶瓷材料作为抗冲击面层材料，一层或多层中间层以及背衬材料。相对于常规全部玻璃或者全部玻璃-陶瓷的透明铠装层体系，本发明的层叠物体系减少重量而提供改进的性能。
文档编号F41H5/04GKCN101611289SQ200880004914
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月4日
发明者J·J·张, L·R·平克尼 申请人:康宁股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan