一種多功能復合材料防彈板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多功能復合材料防彈板及其制備方法，防彈板包括剛性加固層、中間防彈層、防背凸層和緩沖層多重結(jié)構，多重結(jié)構模壓而成，其中剛性加固層為芳綸纖維、高性能碳纖維中的一種或幾種的纖維織物與改性熱固性樹脂浸漬而成，中間防彈層為超高分子量聚乙烯纖維、高性能碳纖維的混合纖維織物與改性熱塑性樹脂浸漬而成，防背凸層為高性能碳纖維的纖維織物與改性熱固性樹脂浸漬而成，緩沖層為有機硅或聚氨酯泡沫。本發(fā)明采用多層鋪設、采用真空模壓一體化成型得到兼?zhèn)浼t外隱身特性、高強度、高剛度、低背凸、耐腐蝕、耐熱性能的防彈板。
【專利說明】一種多功能復合材料防彈板及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能復合材料防彈板及其制造方法，特別涉及一種具有紅外隱身特性、高強度、高剛度、低背凸、耐腐蝕、耐熱性能優(yōu)良，且兼?zhèn)銰PS定位、紅外遙感等多功能的復合材料防彈板。

【背景技術】
[0002]隨著高性能纖維研究的不斷深入，其在防護領域的應用范圍和深度也逐漸拓展，對防彈材料的質(zhì)量和功能的提高起到了重要的推動作用。從20世紀70年代開始，高性能纖維復合材料在裝甲防護領域得到了廣泛應用。高性能纖維復合材料發(fā)揮了其中增強纖維和基體樹脂的各自強韌性的主要特點，使其在具備優(yōu)良物理機械性能的同時，又具有大大優(yōu)于金屬防彈材料的高比強度、高比模量，同時對沖擊動能吸收效率良好，其防彈性能也大大高于金屬材料，特別是不存在對彈丸的二次反彈問題。此外，高性能纖維復合材料的制作加工性能良好，能夠使防彈裝甲的質(zhì)量大大減輕，有效改善裝備的機動性和靈活性。
[0003]超高分子量聚乙烯纖維，由聚乙烯(平均分子量在100萬以上)紡制而成，是繼芳綸纖維后出現(xiàn)的另一種高強度、高模量纖維，其密度低、韌性強、耐腐蝕性好、分子結(jié)構取向度高，具有比芳綸纖維更優(yōu)異的防彈特性，因此超高分子量聚乙烯纖維是制作防彈復合材料的最佳材料。但是聚乙烯纖維自身也有不可避免的缺點，其熔點較低、高溫環(huán)境下的力學性能差，應用到防彈材料上會引起背彈面較大的鼓包問題，所以單純超高分子量聚乙烯纖維復合材料的防彈性能仍存在需要提高的方面。目前，已有大量研究者針對超高分子量聚乙烯改性進行試驗，力求提高其使用溫度，但是收效甚微?；谶@種研究背景，在超高分子量聚乙烯纖維防彈特性的基礎上，集合發(fā)揮其他高性能纖維的防護特性，采用混雜纖維組合鋪層技術研制具備綜合特性的新型防護材料，成為單純材質(zhì)復合材料防彈性能提升的有效方法。
[0004]隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代化武器已經(jīng)大量裝備士兵，紅外跟蹤探測、GPS定位、紅外熱感等功能已經(jīng)成為高科技武器的必備功能，而超高分子量聚乙烯纖維復合材料防彈裝甲目前僅有的單一防護功能已經(jīng)顯得捉襟見肘，逐漸適應不了電子信息技術無處不在的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境。因此在發(fā)揮混雜纖維綜合特性的同時，在復合材料防彈裝甲成型過程中引入電子信息部件，進行防彈板裝甲的信息集成處理，也成為目前復合材料防彈板的研究熱點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種多功能復合材料防彈板及其制備方法，能夠得到兼?zhèn)浼t外隱身特性、高強度、高剛度、低背凸、耐腐蝕、耐熱性能，且具有GPS定位、紅外遙感等多功能的復合材料防彈板，可以為軍用、警用等各種領域提供高質(zhì)量多功能的防護裝甲材料。
[0006]本發(fā)明采取的技術方案為:
[0007]—種多功能復合材料防彈板，包括剛性加固層、中間防彈層、防背凸層和緩沖層多重結(jié)構，多重結(jié)構模壓而成，其中剛性加固層為芳綸纖維、高性能碳纖維中的一種或幾種的纖維織物與改性熱固性樹脂浸潰而成，中間防彈層為超高分子量聚乙烯纖維、高性能碳纖維的混合纖維織物與改性熱塑性樹脂浸潰而成，防背凸層為高性能碳纖維的纖維織物與改性熱固性樹脂浸潰而成，緩沖層為有機硅或聚氨酯泡沫。
[0008]所述的多功能復合材料防彈板，還包括表面的紅外隱身層和內(nèi)嵌的電子信息功能部件。
[0009]所述的多功能復合材料防彈板，優(yōu)選由剛性加固層、中間防彈層、剛性加固層、防背凸層、緩沖層依次鋪設，外涂紅外隱身層，內(nèi)嵌電子信息功能部件而成。
[0010]所述的剛性加固層、中間防彈層、防背凸層，均至少有I層纖維織物，剛性加固層、防背凸層優(yōu)選含2-10層纖維織物，中間防彈層優(yōu)選含100-500層纖維織物。
[0011]上述的高性能碳纖維指拉伸強度在3500MPa以上的碳纖維，所述的改性熱固性樹脂是熱塑性樹脂改性的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或熱固性聚氨酯；所述的改性熱塑性樹脂為熱固性樹脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不飽和聚酯樹脂或橡膠彈性體；所述的超高分子量聚乙烯纖維是拉伸強度在30cN/dteX以上的聚乙烯纖維，所述的內(nèi)嵌電子信息功能部件選自具備GPS、紅外遙感、夜視電子信息功能的部件。
[0012]一種多功能復合材料防彈板的制備方法，包括步驟如下:
[0013](I)剛性加固層的制備:將芳綸纖維、高性能碳纖維(拉伸強度在3500MPa以上)中的一種或幾種編織成纖維織物(優(yōu)選兩種纖維混織)，用改性熱固性樹脂浸潰上述纖維織物制備剛性加固層預浸料，樹脂含量控制在35-40wt.% ；
[0014](2)中間防彈層的制備:用超高分子量聚乙烯纖維為主體防彈原料、采用高性能碳纖維為高效沖擊能吸收原料編織成混合纖維織物，其中超高分子量聚乙烯纖維與高性能碳纖維的混雜質(zhì)量比例在2:1?5:1，用改性熱塑性樹脂浸潰混合織物，制備中間防彈層預浸料，樹脂含量控制在20-30wt.%范圍內(nèi)；
[0015](3)防背凸層的制備:用高性能碳纖維編織成纖維織物，將改性熱固性樹脂浸潰纖維織物制備剛性加固層預浸料，樹脂含量控制在35-40wt.% ；
[0016](4)選用有機硅或聚氨酯泡沫為緩沖層；
[0017](5)按照“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”順序鋪設各層，內(nèi)嵌入具備GPS定位、夜視或紅外遙感等功能的電子信息功能部件，采用真空模壓聯(lián)動的一體化成型技術，將上述原料鋪層后，包覆于耐壓真空袋中并連接真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，之后將該體
[0018]系置于模壓系統(tǒng)中，進行真空模壓一體化成型；
[0019](6)成型后的多功能防彈板產(chǎn)品表面噴涂具備紅外隱身功能的涂層膠液形成紅外隱身涂層。
[0020]上述的纖維織物為單向織物、二維織物(平紋、斜紋、緞紋)或三維織物，單向織物可米用±90°、土45°等多種纖維排列方式。
[0021]上述制備方法中的改性熱固性樹脂為熱塑性樹脂改性的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、熱固性聚氨酯等類型，具備優(yōu)良沖擊韌性。改性熱塑性樹脂基體包括聚氨酯、聚乙烯、不飽和聚酯樹脂、橡膠彈性體等其中的一種或多種，通過物理共混或化學接枝方式進行熱固性樹脂改性，使其具備優(yōu)異沖擊韌性的特種樹脂膠黏劑。所述的真空度在-0.2?-0.SMPa之間調(diào)節(jié)，紅外隱身涂層厚度控制在0.5-1_。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023](I)采用多層鋪設得到兼?zhèn)浼t外隱身特性、高強度、高剛度、低背凸、耐腐蝕、耐熱性能的防彈板，其中最表面紅外隱身層6可使該復合材料防彈板具備吸收雷達波的特性；外側(cè)剛性加固層I可抵抗彈丸向內(nèi)部侵徹并改變彈頭形狀；中間防彈層2可有效吸收彈丸侵徹的破壞能量；內(nèi)側(cè)剛性加固層3可有效破壞侵徹后的彈丸形狀并與防背凸層4 一起達到降低背彈面鼓包變形的作用；緩沖層5可以有效緩沖彈丸侵徹的能量對人體沖擊并提高防彈板與人體接觸的舒適性。
[0024](2)采用真空模壓一體化成型，該成型方式可有效提高模壓工藝的排氣效率，增加預浸料界面結(jié)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明多功能復合材料防彈板的一種具體結(jié)構示意圖。
[0026]其中，1.外側(cè)的剛性加固層、2.中間防彈層、3.內(nèi)側(cè)的剛性加固層、4.防背凸層、5.緩沖層、6.紅外隱身涂層。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例進一步說明。
[0028]實施例1
[0029]選用T700碳纖維、Kevlar芳綸纖維K29分別為剛性加固層纖維原料，兩種纖維按照2:1的質(zhì)量比例采用平紋編織形式制備二維織物，將制備好的織物浸潰改性環(huán)氧樹脂，樹脂含量控制在35wt.%，制成剛性加固層用預浸料，預浸料克重控制在120g/m2。
[0030]選用強度為40g/d的超高分子量聚乙烯纖維為原料，選用T700碳纖維為輔助原料，按照纖維質(zhì)量比例為2:1制備混雜纖維單向織物，兩種纖維所用浸潰膠黏劑樹脂為改性聚氨酯，含膠量控制在30wt.%，將制備的單向織物按照±90°方向疊層后制備中間防彈層預浸布原料，預浸料克重控制在75g/m2。
[0031]采用T700碳纖維和M40高模量碳纖維為纖維原料，兩種纖維按照1:1的質(zhì)量比例制備平紋織物，之后浸潰環(huán)氧樹脂膠黏劑，含膠量為40wt.%，浸潰膠黏劑后制備防背凸層預浸布，預浸料克重控制在120g/m2。
[0032]選用厚度為2_的有機硅為緩沖層，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有GPS定位功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊備用。
[0033]設定防彈為GA 668-2006中規(guī)定的A級要求，按“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”的順序，將以上預浸布進行組合疊層鋪敷，其中外側(cè)剛性加固層為2層，中間防彈層為108層，內(nèi)側(cè)剛性加固層為2層，防背凸層為4層，緩沖層選用厚度為2_的有機硅樹脂固化成型，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有GPS定位功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊，將上述組合疊層原料包覆在耐壓真空袋中并放入預熱模具，保持真空度在-0.4MPa，模壓溫度在120°C、壓力在8MPa條件下，保溫保壓10分鐘，之后保持真空度在-0.4MPa，在120°C、16.5MPa條件下保溫保壓20分鐘，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa壓強降溫至60°C以下開啟模具取出樣品。在壓制成的防彈板表面噴涂厚度為0.5mm紅外隱身涂層,采用水刀切割修邊制備尺寸為250mmX 300mm的復合材料防彈板。
[0034]實施例2
[0035]選用T700碳纖維為剛性加固層纖維原料，采用緞紋編織形式制備二維織物，將制備好的織物浸潰改性環(huán)氧樹脂，樹脂含量控制在40wt.%，制成剛性加固層用預浸料，預浸料克重控制在100g/m2。
[0036]選用強度為40g/d的超高分子量聚乙烯纖維為原料，選用T300碳纖維為輔助原料，按照纖維質(zhì)量比例為3:1制備混雜纖維單向織物，兩種纖維所用浸潰膠黏劑樹脂為改性聚氨酯，含膠量控制在25wt.%，將制備的單向織物按照±90°方向疊層后制備中間防彈層預浸布原料，預浸料克重控制在75g/m2。
[0037]采用T300碳纖維和M40高模量碳纖維為纖維原料，兩種纖維按照2:1的質(zhì)量比例制備平紋織物，之后浸潰環(huán)氧樹脂膠黏劑，含膠量為35wt.%，浸潰膠黏劑后制備防背凸層預浸布，預浸料克重控制在120g/m2。
[0038]選用厚度為3_的有機硅為緩沖層，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有GPS定位功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊備用。
[0039]設定防彈為GA668-2006中規(guī)定的B級要求，按“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”的順序，將以上預浸布進行組合疊層鋪敷，其中外側(cè)剛性加固層為4層，中間防彈層為324層，內(nèi)側(cè)剛性加固層為4層，防背凸層為4層，緩沖層選用厚度為3_的有機硅樹脂固化成型，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有GPS定位功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊，將上述組合疊層原料包覆在耐壓真空袋中并放入預熱模具，保持真空度在-0.3MPa，模壓溫度在120°C、壓力在8MPa條件下，保溫保壓15分鐘，之后保持真空度在-0.4MPa，在120°C、16.5MPa條件下保溫保壓25分鐘，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa壓強降溫至60°C以下開啟模具取出樣品。在壓制成的防彈板表面噴涂厚度為
0.6mm紅外隱身涂層,采用水刀切割修邊制備尺寸為250mmX 300mm的復合材料防彈板。
[0040]實施例3
[0041]選用T300碳纖維為剛性加固層纖維原料，采用斜紋編織形式制備二維織物，將制備好的織物浸潰改性環(huán)氧樹脂，樹脂含量控制在35wt.%，制成剛性加固層用預浸料，預浸料克重控制在100g/m2。
[0042]選用強度為35g/d的超高分子量聚乙烯纖維為原料，選用T700碳纖維為輔助原料，按照纖維質(zhì)量比例為4:1制備混雜纖維單向織物，兩種纖維所用浸潰膠黏劑樹脂為改性聚氨酯，含膠量控制在30wt.%，將制備的單向織物按照±90°方向疊層后制備中間防彈層預浸布原料，預浸料克重控制在75g/m2。
[0043]采用M40高模量碳纖維為原料制備單向纖維織物，之后浸潰環(huán)氧樹脂膠黏劑，含膠量為40wt.%，浸潰膠黏劑后制備防背凸層預浸布，預浸料克重控制在100g/m2。
[0044]選用厚度為2mm的聚氨酯泡沫為緩沖層，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有紅外遙感功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊備用。
[0045]設定防彈為GA668-2006中規(guī)定的B級要求，按“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”的順序，將以上預浸布進行組合疊層鋪敷，其中外側(cè)剛性加固層為4層，中間防彈層為300層，內(nèi)側(cè)剛性加固層為4層，防背凸層為4層，緩沖層選用厚度為2_的聚氨酯泡沫固化成型，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有GPS定位功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊，將上述組合疊層原料放入預熱模具，在120°C、8MPa條件下，保溫保壓10分鐘，之后在120°C、16.5MPa條件下保溫保壓20分鐘，最后保持16.5MPa壓強降溫至60°C以下開啟模具取出樣品。在壓制成的防彈板表面噴涂厚度為0.3_紅外隱身涂層，采用水刀切割修邊制備尺寸為300mmX300mm的復合材料防彈板。
[0046]實施例4
[0047]選用T300碳纖維為剛性加固層纖維原料，采用單向纖維排列形式，將制備好的織物浸潰改性環(huán)氧樹脂，樹脂含量控制在40wt.%，制成剛性加固層用預浸料，預浸料克重控制在 120g/m2。
[0048]選用強度為40g/d的超高分子量聚乙烯纖維為原料，選用T700碳纖維為輔助原料，按照纖維質(zhì)量比例為4:1制備混雜纖維單向織物，兩種纖維所用浸潰膠黏劑樹脂為改性聚乙烯樹脂，含膠量控制在25wt.%，將制備的單向織物按照±90°方向疊層后制備中間防彈層預浸布原料，預浸料克重控制在160g/m2。
[0049]采用T300碳纖維和M40高模量碳纖維為纖維原料，兩種纖維按照2:1的比例制備平紋織物，之后浸潰環(huán)氧樹脂膠黏劑，含膠量為40wt.%，浸潰膠黏劑后制備防背凸層預浸布，預浸料克重控制在120g/m2。
[0050]選用厚度為2mm的有機娃為緩沖層，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有夜視功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊備用。
[0051]設定防彈為GA668-2006中規(guī)定的B級要求，按“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”的順序，將以上預浸布進行組合疊層鋪敷，其中外側(cè)剛性加固層為4層，中間防彈層為160層，內(nèi)側(cè)剛性加固層為4層，防背凸層為2層，緩沖層選用厚度為2_的有機硅樹脂固化成型，同時根據(jù)尺寸要求選用帶有夜視功能的電子芯片作為電子信息內(nèi)嵌模塊，將上述組合疊層原料包覆在耐壓真空袋中并放入預熱模具，保持真空度在-0.4MPa，模壓溫度在120°C、壓力在8MPa條件下，保溫保壓10分鐘，之后保持真空度在-0.3MPa，在120°C、16.5MPa條件下保溫保壓30分鐘，最后真空度在-0.3MPa，保持16.5MPa壓強降溫至60°C以下開啟模具取出樣品。在壓制成的防彈板表面噴涂厚度為
0.6mm紅外隱身涂層,采用水刀切割修邊制備尺寸為250mmX 300mm的復合材料防彈板。
【權利要求】
1.一種多功能復合材料防彈板，其特征是，包括剛性加固層、中間防彈層、防背凸層和緩沖層多重結(jié)構，多重結(jié)構模壓而成，其中剛性加固層為芳綸纖維、高性能碳纖維中的一種或幾種的纖維織物與改性熱固性樹脂浸潰而成，中間防彈層為超高分子量聚乙烯纖維、高性能碳纖維的混合纖維織物與改性熱塑性樹脂浸潰而成，防背凸層為高性能碳纖維的纖維織物與改性熱固性樹脂浸潰而成，緩沖層為有機硅或聚氨酯泡沫。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多功能復合材料防彈板，其特征是，還包括表面的紅外隱身層和內(nèi)嵌的電子信息功能部件。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能復合材料防彈板，其特征是，它由剛性加固層、中間防彈層、剛性加固層、防背凸層、緩沖層依次鋪設，外涂紅外隱身層，內(nèi)嵌電子信息功能部件而成。
4.權利要求1-3任一項所述的一種多功能復合材料防彈板，其特征是，所述的剛性加固層、中間防彈層、防背凸層，均至少有I層纖維織物。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種多功能復合材料防彈板，其特征是，剛性加固層、防背凸層含2-10層纖維織物，中間防彈層含100-500層纖維織物。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種多功能復合材料防彈板，其特征是，所述的高性能碳纖維指拉伸強度在3500MPa以上的碳纖維，所述的改性熱固性樹脂是熱塑性樹脂改性的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或熱固性聚氨酯；所述的改性熱塑性樹脂為熱固性樹脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不飽和聚酯樹脂或橡膠彈性體；所述的超高分子量聚乙烯纖維是拉伸強度在30cN/dtex以上的聚乙烯纖維，所述的內(nèi)嵌電子信息功能部件選自具備GPS、紅外遙感、夜視電子信息功能的部件。
7.一種多功能復合材料防彈板的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)剛性加固層的制備:將芳綸纖維、高性能碳纖維中的一種或幾種編織成纖維織物，用改性熱固性樹脂浸潰上述纖維織物制備剛性加固層預浸料，樹脂含量控制在35-40wt.% ； (2)中間防彈層的制備:用超高分子量聚乙烯纖維為主體防彈原料、采用高性能碳纖維為高效沖擊能吸收原料編織成混合纖維織物，其中超高分子量聚乙烯纖維與高性能碳纖維的混雜質(zhì)量比例在2:1?5:1，用改性熱塑性樹脂浸潰混合織物，制備中間防彈層預浸料，樹脂含量控制在20-30wt.%范圍內(nèi)； (3)防背凸層的制備:用高性能碳纖維編織成纖維織物，將改性熱固性樹脂浸潰纖維織物制備剛性加固層預浸料，樹脂含量控制在35-40wt.% ； (4)選用有機硅或聚氨酯泡沫為緩沖層； (5)按照“剛性加固層一中間防彈層一剛性加固層一防背凸層一緩沖層”順序鋪設各層，內(nèi)嵌入電子信息功能部件，采用真空模壓聯(lián)動的一體化成型技術，將上述原料鋪層后，包覆于耐壓真空袋中并連接真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，之后將該體系置于模壓系統(tǒng)中，進行真空模壓一體化成型； (6)成型后的多功能防彈板產(chǎn)品表面噴涂具備紅外隱身功能的涂層膠液形成紅外隱身涂層。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種多功能復合材料防彈板的制備方法，其特征是，纖維織物為單向織物、二維織物或三維織物。
9.根據(jù)權利要求7所述的一種多功能復合材料防彈板的制備方法，其特征是，所述的真空度在-0.2?-0.8MPa之間調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權利要求7所述的一種多功能復合材料防彈板的制備方法，其特征是，紅外隱身涂層厚度控制在0.5-lmm。
【文檔編號】B32B37/02GK104215130SQ201410472095
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權日:2014年9月16日
【發(fā)明者】朱波, 曹偉偉, 王寶剛 申請人:山東大學, 北京勤達遠致新材料科技股份有限, 公司