1.本发明涉及防弹插板技术领域，具体为一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法。
背景技术：2.防弹插板是以防弹陶瓷作为迎弹面层、高性能防弹纤维作为背板层，通过层叠复合制备，用于个体防弹的工业产品。目前，防弹插板常用的主流防弹陶瓷主要有：氧化铝(al2o3)、碳化硅陶瓷(sic)、碳化硼(b4c)，常用的高性能纤维背板材料有芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维(uhmwpe，pe)，且主要以芳纶机织布和pe无纬布压板形式存在。
3.《ga141-2010警用防弹衣》标准是目前通用的防弹插板防护设计标准，其中5级和6级是常见的防护等级，其威胁弹种分别是1956年式7.62mm普通弹和1953年式7.62mm普通弹。目前市面上防弹插板通常为陶瓷+pe无纬布压板或陶瓷+芳纶纤维机织布+pe无纬布压板两种形式，存在重量较大、防护效果较差的缺点，因此需要对缺陷进行优化。
4.在专利cn202120997870.6中，公开了一种多曲面复合陶瓷防弹插板，其包括依次叠加的芳纶机织布的止裂层、碳化硼陶瓷层、过渡层和pe支撑层，层间通过夹设的热熔胶膜相粘连，整体外表面喷涂聚脲涂层。该专利虽然质量较轻且能防止子弹穿透，但对人体的冲击力仍然较大，保护能力不足，且碳化硼陶瓷成本较高。
5.在专利cn200810161474.9中，公开了一种防弹成型件，包括阻挡层、缓冲层，所述阻挡层和缓冲层包括多张叠加的无纬布，该专利还提供了一种制备防弹成型件的方法，该专利提供的防弹成型件具有良好的防弹作用，但是防止子弹穿透的效果较差。
6.在专利cn202210554078中，公布了一种抗多发弹陶瓷的制备方法及防弹插板，包括通过粘结剂粘结的止裂层、抗弹陶瓷面板和吸能背板，该专利虽能实现较低重量下有效防护，但其陶瓷烧结制备较为复杂，大批量生产、采购中存在困难，且材料成本较高。
7.在专利cn201811571780.x中，公开了一种复合防弹衣，由外至内包括吸弹层、防护层、缓冲层以及吸能层；该吸弹层用包括两碳纤维层和铝泡沫层，该专利能有效避免流弹的产生以及过大的冲击力造成作战人员肋骨骨折的危险，但是其抵抗变形的能力较差，且材料成本较高，制作繁琐。
8.在专利cn216558537.u中，公布了一种多曲面复合防弹插板，包括止裂层、防弹陶瓷板、过渡层、pe压板、减凸片和表面蒙布，其中止裂层为芳纶织布制成，防弹陶瓷为碳化硼陶瓷，过渡层为碳纤维制成，减凸片为塑料亚微孔泡沫制成，该专利虽能实现有效防护，但是所设计的防弹插板重量较大，厚度较大，不利于作战人员活动。
技术实现要素：9.基于此，针对上述防弹插板重量较大、防护效果较差的问题，提供一种新型轻量化防弹插板结构及制备方法。
10.一种新型轻量化防弹插板，所述防弹插板包括层叠设置的止裂层、陶瓷层、纤维
层、减凹陷层以及包装材料，纤维层由纤维增强层和纤维吸能层组成，防弹插板各层间使用聚乙烯胶膜粘接。
11.进一步的，所述止裂层为1mm厚的轻质铝合金。
12.进一步的，所述陶瓷层为氧化铝或碳化硅，陶瓷可为整体形式或由若干个小尺寸陶瓷组成的拼接形式。
13.进一步的，氧化铝或碳化硅均为无压烧结制备，氧化铝陶瓷力学性能为，密度≥3.88g/cm3，硬度≥1500hv，抗弯强度≥350mpa，断裂韧性≥2.2mpa
·m1/2
。碳化硅陶瓷力学性能为，密度≥3.2g/cm3，硬度≥2400kg/mm2，抗弯强度≥380mpa，断裂韧性≥3.2mpa
·m1/2
。
14.进一步的，所述纤维增强层由单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成。
15.进一步的，所述纤维吸能层由单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成。
16.进一步的，纤维增强层与纤维吸能层一体复合成型。纤维增强层与纤维吸能层间使用聚乙烯胶膜进行粘接，使用平板硫化剂热压成型或热压罐真空热压成型。
17.进一步的，减凹陷层为单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。
18.进一步的，纤维增强层∶纤维吸能层面密度比为＝1∶2～1∶3，纤维层总面密度为11～13kg/m2。
19.进一步的，当陶瓷为氧化铝陶瓷时，防弹插板结构其面密度40～45kg/m2，可实现1953年式7.62mm普通弹的三发弹有效防护且弹着点凹陷值不超过25mm，即实现《ga141-2010警用防弹衣》中6级防护要求。
20.进一步的，当陶瓷为碳化硅陶瓷时，防弹插板结构其面密度30～35kg/m2，可实现抗1956年式7.62mm普通弹的六发弹有效防护且弹着点凹陷值不超过25mm，即实现《ga141-2010警用防弹衣》中5级防护要求。
21.本发明还提供一种上述所述轻量化防弹插板的制备方法，包括以下步骤：
22.步骤1：本轻量化防弹插板在复合前，所用碳化硅或氧化铝陶瓷均需在700℃～900℃环境下氧化处理5小时以上，并使用无水酒精将氧化后的陶瓷表面清理干净。
23.步骤2：本轻量化防弹插板在复合前，除陶瓷外的原材料，芳纶无纬布、pe无纬布、聚乙烯胶膜均需保持干净，若有污染应当使用去离子水将其表面清理干净。
24.步骤3：本轻量化防弹插板在复合前，各粘接面以及聚乙烯胶膜需保持干燥无污染。
25.步骤4：本轻量化防弹插板分两步成型，第一次成型为纤维层成型，按照-纤维增强层-聚乙烯胶膜-纤维吸能层的顺序使用平板硫化剂热压成型或热压罐真空热压成型，热压温度为120℃，保温1h，中间每间隔20分钟放气一次，每次放气时间30秒，热压压力为3mpa，保压3h。
26.步骤5：第二次成型时，按照止裂层-聚乙烯胶膜-陶瓷层-聚乙烯胶膜-纤维层-聚乙烯胶膜-减凹陷层的顺序使用平板硫化剂热压成型或热压罐真空热压成型，热压温度为115℃，保温1h，热压压力为3mpa，保压3h。
27.进一步的，纤维增强层与纤维吸能层在铺层完成后，在其边缘使用聚酰亚胺耐高
温胶带进行四角约束，以限制纤维层水平移动，减小产品的水平尺寸偏差，防止出现层间错位、厚度不均等缺陷，且耐高温胶带可在热压复合结束后揭去，保证插板外观的同一性。
28.进一步的，复合后防弹插板需使用防水牛津布进行包装，若防弹插板中陶瓷为拼接陶瓷，其需使用eva制成的软质套进行包边补充，再使用防水牛津布进行包装。软质套如图1所示。
29.与现有技术相比，本发明的实施至少包括以下优势：
30.1.本发明专利所述轻量化防弹插板在保证有效防护的前提下，在同等防弹水平的防护结构中重量较轻、成本较低。本发明专利使得所设计氧化铝防弹插板在面密度为43.5kg/m2，横向尺寸为250mm
×
300mm的测试样品可以抵抗1953年式7.62mm普通弹的三连发打击；所设计的碳化硅防弹插板在面密度为30.2kg/m2，横向尺寸为250mm
×
300mm的测试样品，可有效抵挡1956年式7.62mm普通弹的六连发打击。同时，该复合装甲结构制备方法简单、成本较低、稳定可靠、可批量生产。
31.2.本发明专利所述的轻量化防弹插板各结构层厚度范围较小，结构精准，非简单的厚度增减获得，相同或近似面密度下其他结构较难实现有效防护，且其具有明显的重量优越性和经济优越性，在同种防弹材料或同级的成本标准下，现有装甲难以达到本发明专利所述的轻质装甲结构水平。
32.3.本发明专利通过单层碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料材质的减凹陷层的设置，可以有效降低着弹后防弹插板的背凸，减小弹体冲击对人体伤害。
33.4.本发明专利通过纤维增强层和纤维吸能层共同组成纤维层的设置，可以有效提高防弹插板抗多发弹性能，提高防弹插板防护性能。
34.5.本发明专利通过在纤维复合时在其边缘使用聚酰亚胺耐高温胶带进行四角约束，可以指导各类纤维层间复合生产工艺，可以有效限制纤维层水平移动，减小产品的水平尺寸偏差，防止出现层间错位、厚度不均等缺陷。
35.6.本发明专利在制备拼接陶瓷防弹插板时，通过使用eva制成的软质套进行包边补充，可以很好的保证产品边缘的统一性和连贯性，且加工简单，操作便捷。
附图说明
36.图1为本发明的拆分结构立体图。
37.图2为本发明的eva制成的软质套。
38.图1中：止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)、纤维吸能层(4)及减凹陷层(5)。
具体实施方式
39.使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.本实施例所述轻量化组合式防弹插板由止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)、纤维吸能层(4)及减凹陷层(5)组成。如图1所示；
42.止裂层(1)为1mm厚的轻质铝合金。
43.陶瓷层(2)选用氧化铝陶瓷，陶瓷厚度为8mm，面密度为31kg/m2。
44.纤维增强层(3)选用单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成，结构层面密度为2.5kg/m2。
45.纤维吸能层(4)采用单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成，结构层面密度为7kg/m2。
46.减凹陷层(5)由单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料组成。
47.依照本专利上述制备方法进行制备。
48.通过以上各个结构的设置，本技术中提供的防弹插板1的整体密度为43.5kg/m2，可有效抵挡1953年式7.62mm普通弹的三连发打击，且着弹点胶泥凹陷值均小于25mm。
49.实施例2
50.本实施例所述轻量化组合式防弹插板由止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)、纤维吸能层(4)及减凹陷层(5)组成。如图1所示；
51.止裂层(1)为1mm厚的轻质铝合金。
52.陶瓷层(2)选用碳化硅陶瓷，陶瓷厚度为6mm，面密度为19.2kg/m2。
53.纤维增强层(3)选用单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成，结构层面密度为2kg/m2。
54.纤维吸能层(4)采用单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成，结构层面密度为6kg/m2。
55.减凹陷层(5)由单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料组成。
56.依照本专利上述制备方法进行制备。
57.通过以上各个结构的设置，本技术中提供的防弹插板2的整体密度为30.2kg/m2，可有效抵挡1956年式7.62mm普通弹的六连发打击，且着弹点胶泥凹陷值均小于25mm。
58.对比例1
59.本实施例所述轻量化组合式防弹插板由止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)及纤维吸能层(4)组成。如图1所示；
60.止裂层(1)为1mm厚的轻质铝合金。
61.陶瓷层(2)选用氧化铝陶瓷，陶瓷厚度为8mm，面密度为31kg/m2。
62.纤维增强层(3)选用单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成，结构层面密度为2.5kg/m2。
63.纤维吸能层(4)采用单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成，结构层面密度为7kg/m2。
64.依照本专利上述制备方法进行制备。
65.通过以上各个结构的设置，本技术中提供的防弹插板3的整体密度为43.2kg/m2，在1953年式7.62mm普通弹的三连发打击下，试验结果显示有一发弹弹着点胶泥凹陷值为26.5mm，超过25mm，未能实现有效防护。
66.对比例2
67.本实施例所述轻量化组合式防弹插板由止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)、纤维吸能层(4)及减凹陷层(5)组成。如图1所示；
68.止裂层(1)为1mm厚的轻质铝合金。
69.陶瓷层(2)选用碳化硅陶瓷，陶瓷厚度为6mm，面密度为19.2kg/m2。
70.纤维增强层(3)选用单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成，结构层面密度为4kg/m2。
71.纤维吸能层(4)采用单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成，结构层面密度为4kg/m2。
72.减凹陷层(5)由单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料组成。
73.依照本专利上述制备方法进行制备。
74.通过以上各个结构的设置，本技术中提供的防弹插板4的整体密度为30.2kg/m2，在1956年式7.62mm普通弹的六连发打击，出现穿透现象，未能实现有效防护。
75.对比例3
76.本实施例所述轻量化组合式防弹插板由止裂层(1)、陶瓷层(2)、纤维增强层(3)、纤维吸能层(4)及减凹陷层(5)组成。如图1所示；
77.止裂层(1)为1mm厚的轻质铝合金。
78.陶瓷层(2)选用氧化铝陶瓷，陶瓷厚度为7mm，面密度为27.2kg/m2。
79.纤维增强层(3)选用单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成，结构层面密度为2.5kg/m2。
80.纤维吸能层(4)采用单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成，结构层面密度为6kg/m2。
81.减凹陷层(5)由单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料组成。
82.依照本专利上述制备方法进行制备。
83.通过以上各个结构的设置，本技术中提供的防弹插板5的整体密度为38.5kg/m2，在1953年式7.62mm普通弹的三连发打击下，试验结果显示有一发弹弹着点胶泥凹陷值为29.3mm，超过25mm，未能实现有效防护。
84.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：1.一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：所述防弹插板包括层叠设置的止裂层、陶瓷层、纤维层、减凹陷层以及包装材料，纤维层由纤维增强层和纤维吸能层组成，防弹插板各层间使用聚乙烯胶膜粘接。止裂层为1mm厚的轻质铝合金。陶瓷层为整体或拼接形式的氧化铝或碳化硅。纤维增强层由单层面密度在190g/m2至230g/m2范围内的芳纶无纬布组成。纤维吸能层由单层面密度在100g/m2至150g/m2范围内的pe无纬布组成。减凹陷层为单层面密度在100g/m2至250g/m2范围内的碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：氧化铝或碳化硅均为无压烧结制备，氧化铝陶瓷力学性能为，密度≥3.88g/cm3，硬度≥1500hv，抗弯强度≥350mpa，断裂韧性≥2.2mpa
·
m
1/2
。碳化硅陶瓷力学性能为，密度≥3.2g/cm3，硬度≥2400kg/mm2，抗弯强度≥380mpa，断裂韧性≥3.2mpa
·
m
1/2
。3.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：纤维增强层∶纤维吸能层面密度比为＝1∶2～1∶3，纤维层总面密度为11～13kg/m2。4.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：纤维增强层与纤维吸能层一体复合成型。纤维增强层与纤维吸能层间使用聚乙烯胶膜进行粘接，使用平板硫化剂热压成型或热压罐真空热压成型。5.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：纤维增强层与纤维吸能层在铺层完成后，在其边缘使用聚酰亚胺耐高温胶带进行四角约束，以限制纤维层水平移动，减小产品的水平尺寸偏差，防止出现层间错位、厚度不均等缺陷，且聚酰亚胺耐高温胶带可在热压复合结束后揭去，保证插板外观的同一性。6.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：单层碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料材质的减凹陷层的设置，可以有效降低着弹后防弹插板的背凸，减小弹体冲击对人体伤害。7.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：复合后防弹插板需使用防水牛津布进行包装，若防弹插板中陶瓷为拼接陶瓷，则需先使用eva制成的软质套进行包边补充，再使用防水牛津布进行包装。8.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：当陶瓷为氧化铝陶瓷时，防弹插板结构面密度为40～45kg/m2，可实现《ga141-2010警用防弹衣》中6级防护要求；当陶瓷为碳化硅陶瓷时，防弹插板结构面密度为30～35kg/m2，可实现《ga141-2010警用防弹衣》中5级防护要求。9.根据权利要求1所述的一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，其特征在于：一种符合《ga141-2010警用防弹衣》中6级防护要求的氧化铝防弹插板，面密度为43.5kg/m2，结构为1mm铝合金+8mm氧化铝陶瓷+2.5kg/m2芳纶无纬布+7kg/m
2 pe无纬布+1层碳纤维复合材料。；一种符合《ga141-2010警用防弹衣》中5级防护要求的碳化硅防弹插板，面密度为30.2kg/m2，结构为1mm铝合金+6mm碳化硅陶瓷+2kg/m2芳纶无纬布+6kg/m
2 pe无纬布+1层碳纤维复合材料。
技术总结本发明提供一种新型轻量化防弹插板防护结构及制备方法，属于防弹插板技术领域。所述新型轻量化防弹插板沿弹击方向依次由止裂层、陶瓷层、纤维层、减凹陷层组成，止裂层为轻质铝合金，陶瓷层为整块或拼接形式的氧化铝或碳化硅陶瓷，纤维层由芳纶无纬布和PE无纬布组成，芳纶无纬布∶PE无纬布面密度比为＝1∶2～1∶3，纤维层总面密度为11～13kg/m2，减凹陷层为碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。所述氧化铝防弹插板面密度为43.2kg/m2，可实现《GA141-2010警用防弹衣》中6级防护要求。所述碳化硅防弹插板面密度为30.2kg/m2，可实现《GA141-2010警用防弹衣》中5级防护要求。同时，该制备方法简单、成本较低、稳定可靠、可批量生产。可批量生产。可批量生产。
技术研发人员：李宗家 艾青松 刘元坤 吴中伟 潘智勇 陈虹 李年华 许冬梅 傅丽强 虎龙 方心灵 崔正浩
受保护的技术使用者：北京航天试验技术研究所 北京航天雷特机电工程有限公司
技术研发日：2022.09.16
技术公布日：2022/12/1
