專利名稱：一種三明治防彈夾層板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種防彈夾層板結(jié)構(gòu)，特別是一種三明治防彈夾層板。
背景技術(shù)：
三明治夾層板由致密金屬面板和高孔隙率金屬芯體組合而成，因其質(zhì)量輕、吸能效率高的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到學(xué)術(shù)界以及工程界的重視，特別是在航空航天飛行器、高速列車以及高速艦船等高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的三明治夾層板芯體大多是由普通多微孔金屬結(jié)構(gòu)或者泡沫金屬材料組成， 這類芯體在受到壓縮載荷作用時(shí)，在垂直于受力方向會(huì)發(fā)生膨脹，即表現(xiàn)出正的泊松比值。泊松比是由法國數(shù)學(xué)家西蒙·泊松得名，表示材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。泊松比為正值意味著夾層板在受到子彈沖擊載荷作用時(shí)，受沖擊部位的材料會(huì)向四周流動(dòng)，加之多微孔結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度低的特點(diǎn)，一旦金屬面板破壞，整個(gè)板件就很容易被子彈穿透而對(duì)后面的人員或者設(shè)備造成傷害。在自然界中，大部分材料的泊松比都為正值，范圍在(Γ0. 5之間，其中絕大部分都在O. 2^0. 4之間。然而自然界中也存在少數(shù)具有負(fù)泊松比的材料，例如α -方晶石的泊松比約為-O. 16。負(fù)泊松比材料相比于普通材料具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)和奇特的力學(xué)性能，其受拉伸時(shí)，彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹；相反受壓縮時(shí)，橫向發(fā)生收縮。因?yàn)檫@種特殊的力學(xué)特性，負(fù)泊松比材料又被稱為拉脹材料。材料的負(fù)泊松比特性多來自于材料的特殊微結(jié)構(gòu)。自從1987年Lakes首次制備出泊松比為-O. 7的內(nèi)凹泡孔結(jié)構(gòu)泡沫以來，迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)及制備了多種微觀結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理的拉脹聚合物，主要包括多孔狀拉脹結(jié)構(gòu)、拉脹復(fù)合材料以及分子拉脹材料。負(fù)泊松比現(xiàn)象使得拉脹材料有很多奇特的力學(xué)性能，如材料的剪切模量和斷裂韌性加強(qiáng)、壓痕阻力增加、同向曲率變形行為等等。這使得該種材料在很多領(lǐng)域與常規(guī)材料相比具有很大優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型要設(shè)計(jì)一種可增強(qiáng)板件對(duì)子彈沖擊作用有較強(qiáng)阻抗能力的三明治防彈夾層板。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種三明治防彈夾層板，包括上面板、下面板和芯體，所述的芯體上表面與上面板連接、下表面與下面板連接；所述的上面板和下面板均為O. 5^2mm厚的板件；所述的芯體由多層胞元按一定規(guī)律交叉排列形成；所述的胞元為六邊形，上下呈對(duì)稱的燕尾形狀，上下兩條邊為等長水平胞臂h、左右四條邊為等長斜胞臂1，水平胞臂h與斜胞臂I之間具有夾角λ且λ〈90°，水平胞臂h的長度與斜胞臂I的長度之間滿足公式h>21 · cos λ ;所述的一定規(guī)律是第一層相鄰兩胞元下部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元上部的兩個(gè)斜胞臂I，第一層相鄰兩胞元上部斜胞臂I與下部斜胞臂I的交點(diǎn)連線正好構(gòu)成第二層胞元上部的水平胞臂h ;第三層胞元上部的水平胞臂h即為第一層胞元下部的水平胞臂h，第三層相鄰兩胞元上部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元下部的兩個(gè)斜胞臂I ;依此類推，構(gòu)成多層交叉排列的內(nèi)凹蜂窩狀結(jié)構(gòu)。所述的胞元尺寸斜胞臂I為2. 5^5mm,水平胞臂h為5 10_，斜胞臂I和水平胞臂h的厚度t均為O. 2 1mm，夾角λ為30 75°。所述的芯體的厚度由胞元的層數(shù)確定，寬度由每層胞元的個(gè)數(shù)確定。所述的連接方式為粘接或焊接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果I、本實(shí)用新型在受到子彈沖擊載荷作用時(shí)，芯體表現(xiàn)負(fù)泊松比性質(zhì)，材料會(huì)向子彈作用區(qū)域聚集，從而使得芯體局部強(qiáng)度增加，防止板件尤其是芯體被子彈輕易射穿?！?、由于本實(shí)用新型的芯體是由具有負(fù)泊松比特性的胞元構(gòu)成的內(nèi)凹蜂窩狀結(jié)構(gòu)，既保持了三明治夾層板能量吸收能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又使其在受局部沖擊載荷作用時(shí)發(fā)生局部強(qiáng)化，增加了三明治夾層板對(duì)沖擊載荷的阻抗能力。

圖I為本實(shí)用新型所述負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)夾層板的三維視圖。圖2為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)正視圖。圖3為胞元結(jié)構(gòu)圖及其主要設(shè)計(jì)變量。圖4為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)受集中載荷前變形模式圖。圖5為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)受集中載荷后變形模式圖。圖6為胞元的排列方式圖。圖7為由單個(gè)胞元連接形成的雙層胞元結(jié)構(gòu)三維視圖。圖8為多層胞元結(jié)構(gòu)三維視圖。圖9為六層胞元的夾層板。圖10為十四層胞元的夾層板。圖11為普通泡沫金屬芯體受子彈沖擊前變形模式圖。圖12為普通泡沫金屬芯體受子彈沖擊后變形模式圖。圖13為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)受子彈沖擊前變形模式圖。圖14為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)受子彈沖擊后變形模式圖。圖15為普通泡沫金屬芯體夾層板受子彈沖擊前變形模式圖。圖16為普通泡沫金屬芯體夾層板受子彈沖擊后變形模式圖。圖17為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)夾層板受集中載荷前變形模式圖。圖18為負(fù)泊松比芯體結(jié)構(gòu)夾層板受集中載荷后變形模式圖。圖中1、上面板，2、下面板，3、芯體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步地描述。本實(shí)用新型是一種具有負(fù)泊松比芯體3的三明治夾層板。與傳統(tǒng)蜂窩材料、泡沫材料比較，負(fù)泊松比材料具有特殊的力學(xué)性倉泛。在不同載荷作用下，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出不同的特征。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特有的力學(xué)特征包括材料局部強(qiáng)化效應(yīng)，同向曲率變形等。圖4、圖5顯示了本實(shí)用新型所述的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在局部沖擊載荷作用下的變形模式，該結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向局部受壓時(shí)，在載荷作用方向以及垂直于該方向同時(shí)會(huì)發(fā)生收縮。這種現(xiàn)象導(dǎo)致受載區(qū)域以外的材料也會(huì)向載荷作用點(diǎn)聚集，使得該區(qū)域材料的強(qiáng)度、剛度都會(huì)增加，從而對(duì)局部沖擊載荷產(chǎn)生更大的阻抗作用。圖I即為本實(shí)用新型的負(fù)泊松比芯體3夾層板三維視圖。本實(shí)用新型由上面板I、下面板2和芯體3組成，上面板I與芯體3以及芯體3與下面板2之間通過粘接或焊接連接。構(gòu)成上面板I、下面板2和芯體3的基體材料可以是多種多樣的，并不局限于金屬材料，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求。圖2即為負(fù)泊松比芯體3結(jié)構(gòu)正視圖。圖3所示胞元結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律排列形成負(fù)泊松比芯體3結(jié)構(gòu)，該圖還顯示了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)胞元的幾個(gè)主要設(shè)計(jì)變量I、h、t、λ，不同的變量取值對(duì)應(yīng)不同的泊松比值，如當(dāng) h=10mm, l=5mm, t=0. 5mm, λ =75° 時(shí)，泊松比 v =-2. 07 ；當(dāng) h=10mm, l=5mm, t=0. 5mm,入=60°時(shí)，泊松比v=-l。同時(shí)這些變量也會(huì)影響到芯體3結(jié)構(gòu)的等效彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)屬性。圖圖8顯示了胞元的排列規(guī)律以及形成芯體3結(jié)構(gòu)的過程第一層相鄰兩胞元下部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元上部的兩個(gè)斜胞臂I，第一層相鄰兩胞元上部斜胞臂I與下部斜胞臂I的交點(diǎn)連線正好構(gòu)成第二層胞元上部的水平胞臂h ;第三層胞元上部的水平胞臂h即為第一層胞元下部的水平胞臂h，第三層相鄰兩胞元上部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元下部的兩個(gè)斜胞臂I ;依此類推，構(gòu)成多層交叉排列的內(nèi)凹蜂窩狀結(jié)構(gòu)。芯體3的厚度由胞元的層數(shù)確定，寬度由每層胞元的個(gè)數(shù)確定。圖9、圖10給出了兩種不同胞元層數(shù)構(gòu)成的負(fù)泊松比芯體3結(jié)構(gòu)夾層板。根據(jù)不同的厚度要求，胞元層數(shù)可以變化。圖11 圖18顯示了用有限元方法模擬的對(duì)負(fù)泊松比芯體3夾層板在子彈沖擊作用下的概念驗(yàn)證效果圖，此時(shí)h=5mm, I = 3. 8mm, t=0. 2mm, λ =58。時(shí),泊松比ν=-1·73。圖11 圖14對(duì)比了等效厚度的普通泡沫鋁材料芯體3和負(fù)泊松比芯體3在等條件子彈沖擊作用下的效果。結(jié)果表明普通泡沫鋁芯體3表現(xiàn)出正常的泊松比性質(zhì)，子彈作用區(qū)域的材料被向外側(cè)擠壓；而負(fù)泊松比芯體3則表現(xiàn)出明顯的負(fù)泊松比性質(zhì)，子彈作用區(qū)域的材料向作用中心聚集，局部強(qiáng)度得到加強(qiáng)。圖15 圖18對(duì)比了等效厚度的普通泡沫鋁芯體3夾層板和負(fù)泊松比芯體3結(jié)構(gòu)夾層板在等條件子彈沖擊作用下的效果。普通泡沫鋁芯體3夾層板被子彈射穿，而在同等條件下，負(fù)泊松比芯體3夾層板只被穿透一半，表明負(fù)泊松比芯體3夾層板對(duì)子彈有更好的阻抗能力。
權(quán)利要求1.一種三明治防彈夾層板，包括上面板(I)、下面板(2)和芯體(3)，所述的芯體(3)上表面與上面板(I)連接、下表面與下面板(2)連接；所述的上面板(I)和下面板(2)均為O. 5^2mm厚的板件； 其特征在于所述的芯體(3)由多層胞元按一定規(guī)律交叉排列形成； 所述的胞元為六邊形，上下呈對(duì)稱的燕尾形狀，上下兩條邊為等長水平胞臂h、左右四條邊為等長斜胞臂1，水平胞臂h與斜胞臂I之間具有夾角λ且λ〈90°，水平胞臂h的長度與斜胞臂I的長度之間滿足公式h>21 · cos λ ; 所述的一定規(guī)律是第一層相鄰兩胞元下部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元上部的兩個(gè)斜胞臂I，第一層相鄰兩胞元上部斜胞臂I與下部斜胞臂I的交點(diǎn)連線正好構(gòu)成第二層胞元上部的水平胞臂h ;第三層胞元上部的水平胞臂h即為第一層胞元下部的水平胞臂h，第三層相鄰兩胞元上部的斜胞臂I正好構(gòu)成第二層胞元下部的兩個(gè)斜胞臂I ;依此類推，構(gòu)成多層交叉排列的內(nèi)凹蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三明治防彈夾層板，其特征在于所述的胞元尺寸斜胞臂I為2. 5 5臟，水平胞臂h為5 10mm，斜胞臂I和水平胞臂h的厚度t均為O. 2 1mm，夾角λ 為 30 75。。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三明治防彈夾層板，其特征在于所述的芯體(3)的厚度由胞元的層數(shù)確定，寬度由每層胞元的個(gè)數(shù)確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三明治防彈夾層板，其特征在于所述的連接方式為粘接或焊接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三明治防彈夾層板，包括上面板、下面板和芯體，所述的芯體由多層胞元按一定規(guī)律交叉排列形成；所述的胞元為六邊形，上下呈對(duì)稱的燕尾形狀，上下兩條邊為等長水平胞臂h、左右四條邊為等長斜胞臂l，水平胞臂h與斜胞臂l之間具有夾角λ且λ<90°，水平胞臂h的長度與斜胞臂l的長度之間滿足公式h>2l·cosλ。本實(shí)用新型在受到子彈沖擊載荷作用時(shí)，芯體表現(xiàn)負(fù)泊松比性質(zhì)，材料會(huì)向子彈作用區(qū)域聚集，從而使得芯體局部強(qiáng)度增加，防止板件尤其是芯體被子彈輕易射穿。本實(shí)用新型既保持了三明治夾層板能量吸收能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又使其在受局部沖擊載荷作用時(shí)發(fā)生局部強(qiáng)化，增加了三明治夾層板對(duì)沖擊載荷的阻抗能力。
文檔編號(hào)B32B3/12GK202742715SQ201220315928
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者楊姝, 亓昌, 王棟, 安文姿 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)