專利名稱:混合層疊的透明鎧裝層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合層疊的透明鎧裝層系統(tǒng)，具體地，涉及含玻璃-陶瓷材料 和常規(guī)玻璃材料的復(fù)合鎧裝層。
背景技術(shù)：
用于彈道保護的透明材料(鎧裝層)包括以下材料(l)常規(guī)玻璃，例如，通 常采用浮法制造的鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃；(2)晶體材料，如氧氮化鋁 (ALON)，尖晶石和藍(lán)寶石；和(3)玻璃-陶瓷材料("GC")。在最后的一類中，幾 個研究組研究了來自Alstom的透明二硅酸鋰(lithium disilicate) GC (稱作 TransArm)。因為其相對于球形圓體和小碎片的優(yōu)異重量效率，TransArm具有 提高保護性器件如面罩性能的可能性；對這些材料的抗沖擊性能的研究表明， 與非晶形玻璃相比，GC具有高的破壞后強度(post-failure strength)。參見 GB 2 284 655 A; PCT國際專利公開WO 03/022767 Al以及J. C. F. Millett， N. K. Bourne和I.M. Pick叩，Si02-Li20玻璃陶瓷在一維沖擊負(fù)荷期間的性能(The behaviour of a Si02-Li20 glass ceramic during one-dimensional shock loading), J. Phys.D: A卯l. Phys. 38， 3530-3536 (2005)。其他現(xiàn)有技術(shù) 包括(1) US 5, 060， 553和(2) US 5,496,640，分別描述了 (1)鎧裝層材料， 該材料基于和吸收能量的含纖維背襯層粘合的玻璃陶瓷，和(2)阻燃和抗沖擊性的透明層疊物，該層疊物包含玻璃陶瓷和聚合物的平行片，目的是用于能承 受高熱量和直接火焰的保險玻璃或防彈玻璃。其他專利或?qū)＠暾埌绹?br>專利5， 045, 371，標(biāo)題為"玻璃基質(zhì)徵麥屋(Gh^i/^r"^膨r)"(描述分散 有陶瓷顆粒的鈉鈣玻璃基質(zhì)，所述陶瓷不是原位生長在玻璃中的)和美國專利 申請US 2005/0119104 Al (2005)，標(biāo)題為"使用玻璃-陶瓷材料對運動傷害進 行防護(尸rotec"o/ Fr譜A7/7"ic Z/ i"eats 〃5^./ g 67awCera肌'c 鵬tehs"(描述了基于鈣長石(CaAl2Si208)玻璃-陶瓷的不透明鎧裝層)。
發(fā)明概述
一個方面，發(fā)明人對玻璃、玻璃-陶瓷和聚碳酸酯層進行彈道測試后發(fā)現(xiàn)， 與全GC或全玻璃設(shè)計相比，硬質(zhì)透明GC抗沖擊-面層(strike-face)與一個或 多個玻璃或GC中間層的組合提供明顯更好的彈道性能，該性能為面密度的變 量。發(fā)明人從現(xiàn)有技術(shù)中沒有發(fā)現(xiàn)能受益于這種特定構(gòu)形的文獻。
在一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種透明鎧裝層層疊物體系。該層疊物體 系包含至少一層玻璃-陶瓷材料層、至少一層玻璃層、和背襯層(也稱作碎裂 層)；其中，玻璃-陶瓷層具有晶體組分和玻璃組分，晶體組分占玻璃-陶瓷的 20-98體積％范圍，玻璃組分占玻璃-陶瓷的2-20體積％范圍。層疊物體系釆用 在玻璃-陶瓷層、玻璃層和背襯層之間的透明粘合材料構(gòu)成?？梢允褂帽绢I(lǐng)域 已知的粘合材料，例如環(huán)氧材料。
在另一個方面，本發(fā)明涉及透明GC與玻璃的層疊物用于各種鎧裝層體系 的用途；例如，用于地面車輛和飛行器以及用于個人防護器件的鎧裝層體系。 這些鎧裝層體系的光學(xué)性質(zhì)須滿足軍用鎧裝層體系的可視透明度以及近IR透 明度要求，其適度密度與較高彈道限度的組合提供以下兩個重要品質(zhì)之一或者 兩者
(1) 以較小厚度實現(xiàn)等同于玻璃的彈道性能的能力，從而提供用于鎧裝層 體系的臨界需要的較低重量；和
(2) 以目前用于透明鎧裝層的同樣層疊物厚度實現(xiàn)更優(yōu)異的彈道性能的能力。
附圖簡述

圖1圖示說明常規(guī)商業(yè)可得的由玻璃和聚碳酸酯背襯組成的鎧裝層體系。圖2圖示說明本發(fā)明使用玻璃-陶瓷抗沖擊面層、 一個或多個玻璃層和聚 碳酸酯背襯的鎧裝層體系。
圖3圖示說明與所有可商業(yè)獲得的浮法玻璃體系相比重量減輕的玻璃-陶 瓷/玻璃。
圖4是彈道速率與面密度的關(guān)系的圖，說明本發(fā)明的玻璃-陶瓷/玻璃鎧裝
層體系相對于其他類型體系的優(yōu)異性。
圖5是說明與所有玻璃層疊物相比，使用玻璃-陶瓷/玻璃層疊物可以實現(xiàn) 重量減輕。
發(fā)明詳述
本文所用術(shù)語"抗沖擊面層"表示層疊鎧裝層中接受射入射彈的面層。 人們一般認(rèn)為材料的硬度和斷裂韌度是促成其彈道性能的因素，但是在靜 態(tài)材料性質(zhì)與彈道性能之間的確切關(guān)系在經(jīng)過數(shù)十年研究后仍不清楚(參見 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 頁)。 一種假設(shè)是，理想的鎧裝層材料必須具有足以擊碎射彈的硬度，但是大 于特定閾值時，硬度不再控制性能。如果可以在硬度大于閾值時實現(xiàn)對其他機 械性質(zhì)(如斷裂韌度)的最佳化，則鎧裝層的性能也可以達(dá)到最佳化。
如圖1所示， 一種典型的商業(yè)化的透明鎧裝層體系10包括層疊形成復(fù)合 層狀結(jié)構(gòu)的一層或多層玻璃12(圖1中最前的四層)或透明晶體材料，該結(jié)構(gòu)具 有作為背襯的聚合物材料14或作為最底層的"碎片捕集(spall catcher)"，
如圖l所示。該復(fù)合物結(jié)構(gòu)中層的數(shù)量和順序取決于設(shè)計的鎧裝層體系要對抗 的威脅類型。用于這些層的典型透明玻璃材料是常規(guī)玻璃，例如鈉鈣玻璃和硼 硅酸鹽玻璃，通常采用常規(guī)的浮法玻璃工藝制造。透明晶體材料是通常的 AL0N(氮氧化鋁)、尖晶石和藍(lán)寶石。圖1中的灰色箭頭ll表示射入的射彈的路徑。
雖然已經(jīng)證實透明晶體AL0N、尖晶石和藍(lán)寶石的重量效率都比玻璃大三倍 以上，表明該鎧裝層體系能夠停止重量小于玻璃基體系的總重量的三分之一的 射彈，這些晶體材料需要使用高費用的粉末加工(ALON和尖晶石)或者晶體生長
(藍(lán)寶石)方法來制備該材料。這些方法本身的費用很高，產(chǎn)品產(chǎn)量較低，制成 的材料進行精研/拋光的費用很高，因此無益于制造要求用作窗戶之類的大寸透明材料板。此外，如果特定應(yīng)用需要彎曲的板，則這種要求會進一步增加 復(fù)雜性和費用。結(jié)果，這些高性能材料主要用于實驗室研究，幾乎沒有用于現(xiàn) 實情況。
相對于需要高溫處理的晶體材料，玻璃提供明顯的成本益處。但是，為了 提高玻璃鎧裝層的彈道性能，必須添加多個層和/或更厚的玻璃。結(jié)果，鎧裝 層的總體重量變得越來越無法被無論是個人還是車輛的"用戶"所承受。 一致 的意見是使用創(chuàng)新材料而不是同一種玻璃的基本方案。
作為一類材料，GC結(jié)合了玻璃的可制造性與晶體材料的許多有益性質(zhì)。GC 提供優(yōu)于常規(guī)玻璃的抗射彈穿透的顯著優(yōu)點，所示射彈包括穿甲(硬鋼芯)彈。 在玻璃、GC和聚碳酸酯層狀物的各種組合的彈道測試中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)透 明玻璃-陶瓷抗沖擊面層與一層或多層玻璃中間層的組合提供了優(yōu)于全部玻璃 -陶瓷或者全部玻璃設(shè)計的彈道性能，該性能是面密度的變量。圖2圖示說明 本發(fā)明的層疊的鎧裝層20，該鎧裝層具有硬質(zhì)玻璃-陶瓷抗沖擊面層26(第一 層或最前層)、多個玻璃層22(接下來的三層)和背襯24(最底層)。背襯層包含 抗碎裂材料如堅韌聚合物。聚碳酸酯經(jīng)常用作背襯。20表示的體系的優(yōu)點除了 停止預(yù)定速率的射彈(由箭頭21表示)(如，特定類型的子彈的出膛速率)外， 與常規(guī)玻璃層疊物和甚至玻璃-陶瓷/玻璃-陶瓷層疊物相比，體系20需要的材 料(在厚度和面密度方面)更少。圖2中的灰色箭頭21表示射入的射彈的路徑。
與只有玻璃的層疊物相比，本發(fā)明的混合構(gòu)形提供較小重量，與晶體材料 相比，本發(fā)明的混合構(gòu)形的費用較低，除了上述優(yōu)點外，本發(fā)明的混合構(gòu)形要 求的玻璃-陶瓷總厚度更小例如，玻璃-陶瓷的厚度為10-20毫米，而相比之 下，另一種只有玻璃-陶瓷的方案的玻璃-陶瓷總厚度要求至少30毫米。本發(fā) 明對材料的要求較低，從光透射方面考慮，極大地方便玻璃-陶瓷的制造。因 為玻璃中存在少量雜質(zhì)如氧化鐵，趨于和Ti02(典型的成核劑)反應(yīng)引起可見光 譜的藍(lán)色端的吸收，所以許多玻璃-陶瓷存在吸收問題。圖3示出這一差異， 因此，與"全部浮法玻璃"體系40(該圖左側(cè))相比，使用GC/玻璃層疊物50(該 圖右側(cè))可以通過減少層而達(dá)到重量減輕。
玻璃-陶瓷是通過可控的玻璃失透產(chǎn)生的微晶固體。將玻璃熔融、制造成 形，然后通過熱處理轉(zhuǎn)化為具有高度均勻微結(jié)構(gòu)的部分結(jié)晶的材料。因此，玻 璃-陶瓷含有晶體組分和玻璃組分?？煽氐慕Y(jié)晶的基礎(chǔ)主要取決于有效的內(nèi)部 成核，使得能夠形成細(xì)小的任意取向的晶粒，沒有空隙、微裂紋或其他孔隙。類似于玻璃和陶瓷，GC是脆性材料，其彈性性能最大為產(chǎn)生破裂時的應(yīng)變。但 是，因為晶體微結(jié)構(gòu)的本性，GC的機械性質(zhì)包括強度、彈性、斷裂韌度和耐磨
性都高于玻璃。發(fā)現(xiàn)能應(yīng)用于透明鎧裝層應(yīng)用的玻璃-陶瓷含有20-98體積％晶 體組分和2-80體積％玻璃組分，同時能保持其透明度。
如上所示，對靜態(tài)材料性質(zhì)和彈道性能之間的確切關(guān)系的了解不深。 一種 假設(shè)是理想的鎧裝層材料必須具有足以擊碎射彈的硬度，但是高于一定閾值的 硬度不再能控制彈道性能。這一假設(shè)得到適度但絕非給人深刻印象的努普硬度 值(700-730)的支持，例如用尖晶石GC可達(dá)到該努普硬度值。透明GC的微結(jié) 構(gòu)通常包含基本均勻分散在整個玻璃-陶瓷中的10-40納米晶體。所述晶體可 以"較軟"的連續(xù)玻璃態(tài)分散，即在熱處理后保留的無定形相。這種微結(jié)構(gòu)可 提高彈道亍呆護。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頁)提出一種斷裂理論，其中，玻璃內(nèi)的硬質(zhì)球形晶體分散體將限制 可能在表面上產(chǎn)生的瑕疵的尺寸，因而能夠提高強度。GC的微結(jié)構(gòu)、強度和適 當(dāng)硬度可以說明其在玻璃-GC混合層疊物中作為抗沖擊面層的功效。
對各種玻璃和GC層疊物構(gòu)形的彈道結(jié)果示于圖4中。在圖4所涉及的所 有層疊物中，使用1/2英寸(約1.27厘米)的軟質(zhì)聚碳酸酯背襯與玻璃和/或玻 璃-陶瓷材料結(jié)合。圖4是AP彈道限度(停止穿甲彈的能力，單位是英尺/秒) 對層疊物面密度(單位是磅/平方英尺)的圖。黑色圓圈代表各種GC-玻璃構(gòu)形。 對玻璃層疊物商品的相應(yīng)數(shù)據(jù)可從以下文獻獲得Cera肌'c力r節(jié)rife"rhhZ^ "es^'肌 ed. ， J. W. McCauley Ed. ， Ceramic Transactions, 第 134巻(2002)。 較好地，在低面密度時產(chǎn)生高彈道限度。圖5是說明混合GC-玻璃層疊物與全 部玻璃的層疊物相比重量減少的比較。右面的長方形框示出GC和玻璃(分別為 灰色和白色)對每一數(shù)據(jù)點的相對厚度。長方形框1-4代表具有可比總厚度和 面密度的層疊物。長方形框1具有最大厚度的玻璃-陶瓷材料，長方形框3具 有最小厚度的玻璃-陶瓷材料。長方形框4全部為玻璃。長方形框5代表厚度 大于長方形框4的全部玻璃的層疊物。
應(yīng)選擇層疊物體系的玻璃-陶瓷部分，使得在選擇的透射區(qū)(例如，但不限 于，在可見光、紅外光和紫外光范圍)具有良好透明度和最小光透射損失或畸 變(distortion)。各相、晶體和玻璃的確切百分?jǐn)?shù)取決于玻璃在陶瓷化之前的 組成以及使玻璃結(jié)晶的精確熱處理?？梢园凑宅F(xiàn)有技術(shù)和本文揭示的內(nèi)容陶瓷化的任何玻璃材料都可以用作鎧裝層層疊物的玻璃-陶瓷組分。此外，玻璃-陶 瓷材料應(yīng)具有的努普硬度至少為600。玻璃-陶瓷中要求的微結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度水平 都類似地取決于將遇到的威脅類型和在尋找的多擊圖案。玻璃-陶瓷的例子包 括但不限于玻璃-陶瓷，其中晶體組分包括(3-石英、尖晶石和多鋁紅柱石。
鎧裝層層疊物的玻璃組分可以包含一層或多層玻璃層，每層的厚度在5-50 毫米范圍。在一個實施方式中， 一層或多層玻璃層的單獨各層的厚度在10-20
毫米范圍。玻璃材料可以是滿足透射率標(biāo)準(zhǔn)以及在此所述的低畸變的任何玻
璃。這種玻璃的例子包括但不限于鈉鈣玻璃；氧化硅玻璃；硼硅酸鹽玻璃；以 及鋁硼硅酸鹽玻璃。
用于鎧裝層層疊物的"碎片捕集"或"背襯"材料通常選自聚合物材料， 例如丙烯酸酯類，聚碳酸酯，聚乙烯，聚酯類，聚砜和用于目前商業(yè)可得的 透明鎧裝層的其他聚合物材料。作為用于本發(fā)明的鎧裝層層疊物中的玻璃-陶 瓷材料和玻璃，碎片捕集材料必須滿足透射率和本文所述低畸變的標(biāo)準(zhǔn)。
實施例
在一個實施方式中，透明鎧裝層層疊物具有玻璃-陶瓷層、 一層或多層玻
璃層、和背襯或碎片捕集層，各層的厚度在10-20毫米范圍。玻璃-陶瓷材料 的努普硬度大于600。在另一個實施方式中，努普硬度大于700。
雖然參見有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 理解，在不偏離本文揭示的本發(fā)明的范圍前體下可以利用本文揭示的內(nèi)容設(shè)計 其他實施方式。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)只受所附權(quán)利要求
書的限制。
權(quán)利要求
1.一種透明鎧裝層層疊物，該層疊物包含多個層，包括包含玻璃-陶瓷的抗沖擊面層、包含抗碎裂材料的背襯層、和至少一層包含玻璃的中間層，該中間層層疊在抗沖擊面層和背襯層之間。
2. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述玻璃-陶瓷包含20-98 體積％晶體組分和2-80體積％玻璃組分。
3. 如權(quán)利要求
2所述的透明鋯裝層，其特征在于，所述晶體組分的粒度為 10-40納米。
4. 如權(quán)利要求
2所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述晶體組分基本均勻地 分散在玻璃組分內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求
2所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述晶體組分選自下組 卩-石英、尖晶石、多鋁紅柱石，以及它們的組合。
6. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述玻璃-陶瓷的努普硬度 至少為600。
7. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述抗碎裂材料包括聚合 物材料。
8. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述中間層包括多個層， 包括玻璃層和至少一層包含選自玻璃和玻璃-陶瓷的材料的附加層。
9. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述玻璃選自下組鈉-鈣 玻璃、二氧化硅玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃，以及它們的混合物。
10. 如權(quán)利要求
1所述的透明鎧裝層，其特征在于，所述鎧裝層的厚度小于50 毫米。
11. 如權(quán)利要求
l所述的透明鎧裝層，其特征在于，各層的厚度為5-50毫米。
12. —種透明鎧裝層層疊物，該層疊物包括多個層，包括包含玻璃-陶瓷的抗 沖擊面層，所述玻璃-陶瓷具有20-98體積％晶體組分和2-80體積％玻璃組分，層疊物還包括包含聚碳酸酯的背襯層，以及多個中間層，所述中間層層疊在抗沖擊面 層和背襯層之間，至少一層中間層包含玻璃，其中，晶體組分選自下組(3-石英、尖晶石、多鋁紅柱石，以及它們的組 合，粒度為10-40納米，晶體組分基本均勻地分散在玻璃組分中。
專利摘要
描述一種透明鎧裝層層疊物體系，該體系使用玻璃-陶瓷材料作為抗沖擊面層材料，一層或多層中間層以及背襯材料。相對于常規(guī)全部玻璃或者全部玻璃-陶瓷的透明鎧裝層體系，本發(fā)明的層疊物體系減少重量而提供改進的性能。
文檔編號F41H5/04GKCN101611289SQ200880004914
公開日2009年12月23日 申請日期2008年1月4日
發(fā)明者J·J·張, L·R·平克尼 申請人:康寧股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan