一种抗冲击的复合层结构及其制造方法和应用与流程

1.本发明涉及武器装甲及空间产品防护技术领域。更具体地，涉及一种抗冲击的复合层结构及其制造方法和应用。

背景技术：

2.近年来，武器装备快速发展，新型防护材料和技术也随之得到了广泛应用。防护技术水平在很大程度上决定了武器装备系统及航天器等空间产品的生存能力，性能优良的防护系统能够有效保障各类装备与人员的安全。而抗冲击结构是装甲防护和抗空间碎片冲击的关键技术，防护结构的设计与材料极大地影响着系统的最终防护能力。
3.目前，高性能防弹装甲工程抗冲击性能的重点是其抗冲击侵彻能力，传统的陶瓷复合防弹板通常以较硬的陶瓷作面板、以韧性良好的金属或纤维增强树脂复合材料做背板，首先将面板和背板单独成型，然后再利用胶黏剂将面板和背板粘接在一起，但是，由于陶瓷为脆性材料，防弹板在受到弹丸高速冲击时，陶瓷板作为直接迎弹面，受弹丸冲击后极易发生陶瓷板碎裂、脱落，导致防弹板失效，从而影响其抗多次冲击能力，并且，防弹板收到高速冲击的子弹后，会发生变形，极大的冲击力很容易造成局部防弹能力的下降，从而影响整体的防弹能力。
4.为此，急需研究一种新型的复合层结构，使其可以在抵抗子弹和空间碎片侵彻时，分散子弹和碎片较大的动能，将动能快速层层传递至周围区域，减少局部防弹板受到的冲击，对于提高武器装甲和航天器防护能力显得尤为重要。

技术实现要素：

5.基于以上缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种抗冲击的复合层结构。该复合层结构具有高强度，高硬度，高韧性，低密度，低成本等优点，在形状记忆合金层中纵横交叉的形状记忆合金可较好地承受的冲击力分散到其他部位，避免集中冲击载荷过大使防护系统遭到破坏，配合第一金属防护层和第二金属防护层可进一步提高材料的抗冲击性能，因此，较传统防弹材料具有更强的抗冲击侵彻能力。
6.本发明的第二个目的在于提供一种制造如上所述的复合层结构的方法。
7.本发明的第三个目的在于提供一种利用如上所述的复合层结构作为防弹板在武器装甲及空间产品防护领域中的应用。
8.为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
9.本发明提供一种抗冲击的复合层结构，所述复合层结构为三层夹芯结构，包括第一金属防护层，第二金属防护层以及设置在其间的形状记忆合金层；所述形状记忆合金层作为芯板，形成夹芯结构的复合板；
10.其中，所述第一金属防护层和第二金属防护层由一块或多块金属板拼接而成，厚度为5～30mm；
11.所述形状记忆合金层被构造为三维连续网状结构；所述三维连续网状结构包括多
个彼此重叠的形状记忆合金圆形结构交错组成，其形状记忆合金层的厚度为10～80mm。
12.针对现有技术中陶瓷抗多次冲击能力差、易变形等问题，本发明从防护装甲的内部结构出发，通过改良防护装甲的内部结构，使材料从宏观设计中进一步提高性能，如抗冲击性能，再结合现今研究出的一些优良材料，使复合而成的装甲材料具有更好的抗冲击毁伤性能。
13.在本发明中，将形状记忆合金构造为三维连续网状结构，使彼此相重叠的形状记忆合金圆形结构一层一层纵横交叉连接在一起，以半个圆(拱桥状)为一个冲击分散单元，这种结构的设计有利于冲击能量在接触点处的快速分散和传递，将受力沿着纤维传递，并传给与它相连的其他圆形结构，这样冲击作用力依次在上下左右的纤维间传播，能较好的将局部承受的冲击力分散到其他部位，避免集中冲击载荷过大使装甲遭到破坏，配合第一金属防护层和第二金属防护层可进一步提高材料的抗冲击性能。另外，采用三层夹芯结构和立体交错的网状结构能在一定程度上改变冲击射流的方向，也减弱的穿透和侵彻作用。
14.进一步，所述任意两个重叠的形状记忆合金圆形结构的重叠区域占整个圆形面积的1/18～2/5。
15.进一步，所述任意一个形状记忆合金圆形结构与其周边重叠的形状记忆合金圆形结构的总重叠面积占整个圆形面积的1/3～3/4。
16.进一步，所述形状记忆合金圆形结构的半径为2～40mm。
17.进一步，所述形状记忆合金层由镍-钛合金、铜-镍-钛合金、铁-镍-钛合金或镍-钛-硅合金等形状记忆合金制成；所述形状记忆合金具有机械性能好，弹性应变高，形状恢复能力强、冲击韧性好等优点，通过热处理后制成立体交错的网状结构，优选地，所述形状记忆合金层由镍-钛合金制成，镍钛所占比重为1:1；优选地，所述形状记忆合金层由镍-钛-硅合金制成，镍钛硅所占比重为1:1:1。
18.进一步，为了进一步提高复合层结构的抗冲击能力，所述形状记忆合金层还可以根据应用需要填充吸能材料；所述吸能材料包括但不限于泡沫铝或经浸润树脂处理的高性能纤维；其中，泡沫铝具有质量轻，高比刚度，高阻尼减震性能及冲击能量吸收率等特点，外层再夹金属板或其他比刚度大的复合材料板，形成泡沫铝夹芯板结构具有显著吸能效果，将会更有效的提高装备的抗爆抗冲击波性能；所述高性能纤维具有比强度高、比模量大的特点，同时还具有金属板优良的断裂韧性和抗冲击性能，能够提供很好的刚性支撑，减少复合结构防弹板的变形，提高防护能力。
19.进一步，所述高性能纤维包括但不限于碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中一种或多种；所述树脂包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酯、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛中的一种。
20.进一步，所述金属板由钛合金、镁合金、铝合金、镁锂合金、陶瓷或者非金属复合材料中的一种或几种压制而成；例如：所述非金属复合材料可以为碳纤维复合材料等。
21.进一步，所述第一金属防护层和第二金属防护层的厚度为10-20mm；优选地，所述形状记忆合金层的厚度为10-50mm。
22.为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
23.本发明公开一种制造如上所述的复合层结构的方法，包括如下步骤：
24.a、制备形状记忆合金层
25.选取形状记忆合金，经300-600℃热处理制成具有超弹性、三维连续网状结构的形状记忆合金层，作为芯板，备用；
26.b、制备第一金属防护层，第二金属防护层
27.将金属板裁切为规则尺寸，通过胶黏剂紧密贴合起来，保证表面拼合的平整性，备用；
28.c、复合层结构组装
29.将所述步骤a、步骤b分别得到的形状记忆合金层、第一金属防护层，第二金属防护层进行组装，在形状记忆合金层中加入或不加入吸能材料，第一金属防护层和第二金属防护层通过胶粘剂粘结在形状记忆合金层的两侧，形成一体式复合层结构，即得。
30.为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
31.本发明公开一种利用如上所述的复合层结构作为防弹板在武器装甲防护领域或作为防冲击材料在航天器中的应用。
32.本发明的有益效果如下：
33.本发明公开一种抗冲击的复合层结构及其制造方法和应用。在本发明中，将形状记忆合金构造为三维连续网状结构，使彼此重叠的形状记忆合金圆形结构一层一层纵横交叉连接在一起，这种结构的设计有利于冲击能量在接触点处的快速分散和传递，较现有技术有如下优势：
34.1、分散冲击力，避免集中载荷。对于武器装甲材料所需的良好抗冲击性，本发明采用的立体网状结构，以半个圆(拱桥状)为一个冲击分散单元，类似于古代拱桥结构，先将集中载荷分散到整个拱形结构，再通过立体网状连接结构的节点又将拱形结构的受力有分散到周围的小拱形结构上，让冲击载荷不断向上下左右扩散，达到分散冲击的作用。
35.2、配合使用质轻的吸能材料做填充，进一步提高材料吸能和抗冲击性能，同时降低材料密度。
36.3、改变射流的方向，阻拦或高速碎片进一步穿透防护系统。由于三层夹芯结构，相邻层材料不同，且中间层还铺设有立体网状结构，冲击作用产生的射流方向会改变，对材料的侵彻作用也会减弱，或高速碎片的贯穿也会得到一定阻拦。
37.4、类似钢筋混泥土的结构，可进一步增加复合材料的强度。纤维网的铺设相当于给复合材料加上了筋条，能有效增强材料的强度。
38.综上，该复合层结构可以有效分散局部承受的冲击力，并且一定程度上改变冲击射流的方向，减弱对材料的的穿透和侵彻作用。
附图说明
39.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
40.图1示出本发明复合层结构的概念图。
41.图2示出本发明复合层结构的正视图。
42.图3示出本发明复合层结构的俯视图。
43.图4示出本发明复合层结构的左视图。
44.图5示出本发明复合层结构中形状记忆合金层的示意图。
45.图6示出本发明复合层结构的受力传播示意图。
46.图7示出形状记忆合金层的示意图一。
47.图8示出形状记忆合金层的示意图二。
48.附图标记：1第一金属防护层，2第二金属防护层，3形状记忆合金层，4形状记忆合金，5吸能材料。
具体实施方式
49.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
50.实施例1
51.本实施例公开一种抗冲击的复合层结构，参见图1～图5，该复合层结构为三层夹芯结构，包括第一金属防护层1，第二金属防护层2以及形状记忆合金层3；所述形状记忆合金层3设置在第一金属防护层1和第二金属防护层2之间，所述形状记忆合金层3作为芯板，形成夹芯结构的复合板；
52.其中，所述第一金属防护层1和第二金属防护层2由一块金属板压制而成，所述金属板的材质为镁锂合金，厚度为10mm；
53.图5为本发明复合层结构中形状记忆合金层的示意图，所述形状记忆合金层3被构造为三维连续网状结构；所述三维连续网状结构由多个彼此接触的形状记忆合金4交错组成，周围填充有泡沫铝或浸润树脂处理的高性能纤维等，以增强其抗冲击能力，其形状记忆合金层的厚度为30mm，形状记忆合金为镍-钛合金，镍钛所占比重为1:1。
54.在对形状记忆合金层的设计上，所述形状记忆合金呈圆形设计，以半个圆(拱桥状)为冲击能力分散单元，相邻任意两个呈圆形状态的形状记忆合金的重叠区域占整个圆形面积的0.18，所述任意圆形结构的形状记忆合金与周边的形状记忆合金的总重叠面积占整个圆形面积的0.72，所述呈圆形状态的形状记忆合金的半径为14mm。
55.将第一金属防护层1，第二金属防护层2、形状记忆合金层3进行组装，在形状记忆合金层3中加入吸能材料泡沫铝，第一金属防护层1和第二金属防护层2通过胶粘剂粘结在形状记忆合金层3的两侧，形成一体式复合层结构，即得。
56.图6为模拟本发明复合层结构的受力传播示意图，当外界的冲击能力传递至复合层结构表面，冲击点处的能量会迅速被邻近拱形的形状记忆合金传递至周围形状记忆合金，实现冲击能量的分散，配合填充的吸能材料使能量得到衰减。
57.图7和图8示出了两种不同设计构型下的形状记忆合金层示意图，方便为研究人员提供结构设计的思路，本领域技术人员也可以根据实验需要进一步调整形状记忆合金的堆叠方式。
58.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：

1.一种抗冲击的复合层结构，其特征在于，所述复合层结构为三层夹芯结构，包括第一金属防护层，第二金属防护层以及设置在其间的形状记忆合金层；所述形状记忆合金层作为芯板，形成夹芯结构的复合板；其中，所述第一金属防护层和第二金属防护层由一块或多块金属板拼接而成，厚度为5～30mm；所述形状记忆合金层被构造为三维连续网状结构；所述三维连续网状结构包括多个彼此重叠的形状记忆合金圆形结构交错组成，其形状记忆合金层的厚度为10～80mm。2.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述任意两个重叠的形状记忆合金圆形结构的重叠区域占整个圆形面积的1/18～2/5。3.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述任意一个形状记忆合金圆形结构与其周边重叠的形状记忆合金圆形结构的总重叠面积占整个圆形面积的1/3～3/4。4.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述形状记忆合金圆形结构的半径为2～40mm。5.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述形状记忆合金层由镍-钛合金、铜-镍-钛合金、铁-镍-钛合金或镍-钛-硅合金制成；优选地，所述形状记忆合金层由镍-钛合金制成，镍钛所占比重为1:1；优选地，所述形状记忆合金层由镍-钛-硅合金制成，镍钛硅所占比重为1:1:1。6.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述形状记忆合金层还填充有吸能材料；所述吸能材料包括泡沫铝或经浸润树脂处理的高性能纤维。7.根据权利要求6所述的复合层结构，其特征在于，所述高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中一种或多种；所述树脂选自聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酯、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛中的一种。8.根据权利要求1所述的复合层结构，其特征在于，所述金属板由钛合金、镁合金、铝合金、镁锂合金、陶瓷或者非金属复合材料中的一种或几种压制而成；优选地，所述第一金属防护层和第二金属防护层的厚度为10-20mm；优选地，所述形状记忆合金层的厚度为10-50mm。9.一种制造如权利要求1-8任一项所述的复合层结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：a、制备形状记忆合金层选取形状记忆合金，经300-600℃热处理制成具有超弹性、三维连续网状结构的形状记忆合金层，作为芯板，备用；b、制备第一金属防护层，第二金属防护层将金属板裁切为规则尺寸，通过胶黏剂紧密贴合起来，保证表面拼合的平整性，备用；c、复合层结构组装将所述步骤a、步骤b分别得到的形状记忆合金层、第一金属防护层，第二金属防护层进行组装，在形状记忆合金层中加入或不加入吸能材料，第一金属防护层和第二金属防护层通过胶粘剂粘结在形状记忆合金层的两侧，形成一体式复合层结构，即得。10.如权利要求1-8任一项所述的复合层结构作为防弹板在武器装甲防护领域或作为防冲击材料在航天器中的应用。

技术总结

本发明公开一种抗冲击的复合层结构及其制造方法和应用。所述复合层结构为三层夹芯结构，包括第一金属防护层，第二金属防护层以及设置在其间的形状记忆合金层；所述形状记忆合金层作为芯板，形成夹芯结构的复合板；其中，所述第一金属防护层和第二金属防护层由一块或多块金属板拼接而成，厚度为5～30mm；所述形状记忆合金层被构造为三维连续网状结构；所述三维连续网状结构包括多个彼此重叠的形状记忆合金圆形结构交错组成，其形状记忆合金层的厚度为10～80mm。本发明公开的复合层结构具有高强度，高硬度，高韧性，低密度，低成本等优点，最大限度地分散冲击能量，大大提高其防护能力，可以广泛应用于武器装甲和航天器等空间产品的防护领域并起到有效保护。的防护领域并起到有效保护。