專利名稱:透明陶瓷復(fù)合物及其制造方法
透明陶瓷復(fù)合物及其制造方法
相關(guān)申請
本申請要求申請日為2005年6月10日、申請?zhí)枮?0/689688、發(fā)明名稱為“透明陶瓷復(fù)合物”、和申請日為2006年I月25日、申請?zhí)枮?0/761814、發(fā)明名稱為“透明陶瓷復(fù)合物”的兩個美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及陶瓷的合成物，尤其涉及透明陶瓷鎧板。
背景技術(shù)：
陶瓷表現(xiàn)出的各種性能使其可用于會受到例如磨損、高溫或者高速沖擊的產(chǎn)品中。出色的強(qiáng)度重量比和優(yōu)異的硬度意味著陶瓷常?？梢蕴娲透倪M(jìn)諸如鋼、聚合物、和玻璃之類的結(jié)構(gòu)材料。陶瓷復(fù)合物是包括粘合于另一種陶瓷或者非陶瓷材料的一種陶瓷的材料。例如，一個陶瓷片可以粘合在一個玻璃或者塑料或者另一陶瓷上形成一種陶瓷復(fù)合物。陶瓷復(fù)合物在使陶瓷的有益性質(zhì)得到利用的同時，可提供一種例如比完全的陶瓷材料份量輕、更柔性或價格低的產(chǎn)品。
陶瓷可以是不透明的、半透明的或者透明的。對透明陶瓷特別感興趣，是因為它們可以提供一種可替代透明玻璃或者聚合物的耐沖擊、耐刮擦和耐熱的材料。雖然陶瓷片的生產(chǎn)通常比玻璃或者聚合物片的生產(chǎn)成本高，但陶瓷的優(yōu)異性質(zhì)使它們成為供在極端條件或者惡劣環(huán)境中需要抗刮擦、高強(qiáng)度和光透射的小窗之用的上選材料。
已經(jīng)有人提出陶瓷與其他材料如玻璃和聚碳酸酯的復(fù)合物可作為耐沖擊透明鎧板。例如，美國的法定發(fā)明注冊H1567描述了一種透明的復(fù)合物鎧板，其具有一個硬質(zhì)易碎面板，用彈性更高的板做背襯。美國法定發(fā)明注冊號H1519描述了將透明氧化鋁或者氧化鎂粘合至一個透明塑料支撐板的方法。然而，為了提供充分的透明度和強(qiáng)度，這些復(fù)合物可能是既厚、又重、又貴，而且只能以小尺寸獲得，提供的觀察面積有限。其結(jié)果是，陶瓷復(fù)合物尚未廣泛地用作透明鎧板。本技術(shù)領(lǐng)域：
中在例如減輕重量和成本的同時提高表面積的進(jìn)步應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生性能改善的鎧板并使陶瓷在這個領(lǐng)域中有更多的應(yīng)用。
發(fā)明概述
本發(fā)明的一個方面涉及一種透明陶瓷復(fù)合物，其對于口徑0.30AP的射彈的V5tl大于843m/s,且面密度低于58.7kg/m2。
本發(fā)明的另一方面涉及一種陶瓷復(fù)合物，其包括至少有一個維度尺寸大于15厘米、大于20厘米或者大于25厘米的單晶藍(lán)寶石片。
本發(fā)明的另一方面提供一種制造陶瓷復(fù)合物的方法，其包括將單晶藍(lán)寶石片粘合至一個基材，其中所述的片至少有一個維度尺寸大于15厘米。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為835m/s的7.62毫米X 51 M80彈丸的穿透，該鎧板的面密度低于約150kg/m2。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為776m/s的7.62X39 AP1-BZ射彈的穿透，該鎧板的面密度低于約150kg/m2。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為768m/s的7.62X51 AP(M61)射彈的穿透，該鎧板的面密度低于約150kg/m2。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為835m/s的7.62毫米X 51 M80彈丸的穿透，該鎧板的平均厚度低于約50毫米。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為776m/s的7.62X39 AP1-BZ射彈的穿透，該鎧板的平均厚度低于約50毫米。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為768m/s的7.62X51 AP(M61)射彈的穿透，該鎧板的平均厚度低于約50毫米。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為835m/s的7.62毫米X 51 M80彈丸的穿透，該鎧板的光透明度至少為75%。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為776m/s的7.62X39 AP1-BZ射彈的穿透，該鎧板的光透明度至少為75%。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為768m/s的7.62X51 AP(M61)射彈的穿透，該鎧板的光透射度至少為75%。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為858m/s的7.62X54R B32射彈的穿透，該鎧板的面密度低于約150kg/m2。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為858m/s的7.62X54R B32射彈的穿透，該鎧板的平均厚度低于約60毫米。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止速度為858m/s的
7.62X54R B32射彈的穿透，該鎧板的光透明度至少為75%。
本發(fā)明的另一方面提供一種復(fù)合物透明鎧板，該鎧板能夠阻止連續(xù)三次發(fā)射的速度為850m/s的7.62X63mm APM2射彈的穿透，該鎧板的平均厚度低于約80毫米。
附圖不是按比例繪制的。在附圖中，各附圖中圖示的相同或者近乎相同的組件用同樣的附圖標(biāo)記表示。為了清晰起見，不是在每一幅附圖中都將每一個組件標(biāo)出。在附圖中:
圖1是顯示一個陶瓷復(fù)合物剖視圖的示意圖；
圖2以表格形式提供試驗數(shù)據(jù)；
圖3A和3B是本發(fā)明的特定實施方式在射彈測試后的照片的復(fù)印件；和
圖4A和4B是本發(fā)明的特定實施方式在射彈測試后的照片的復(fù)印件。
具體實施方式
本發(fā)明在應(yīng)用方面不局限于在下文中描述或者在附圖中舉例說明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和組件排列。本發(fā)明能夠有其它實施方式，而且能夠以多種方式加以實踐或者實施。此外，在這里所用的措辭和術(shù)語目的在于描述，所以不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的。使用的“包括”、“包含”、或者“具有”、“含有”、“涉及”及其變形在這里都意味著擁有列于其后的諸項目及其等同物以及其它項目。
本發(fā)明的一個方面涉及一種在允許光透射的同時可用于提供對高速射彈的保護(hù)的透明陶瓷復(fù)合物。該復(fù)合物可提供一種可被用于例如飛機(jī)、宇宙飛船、潛水器、民用或者軍用陸上車輛的防護(hù)窗。與其它材料相比，該復(fù)合物的提供高強(qiáng)重量比，而且視野得到改善。該復(fù)合物的陶瓷組件可以是例如一種非多晶陶瓷材料，比如單晶藍(lán)寶石(Al2O3)15該復(fù)合物的其它組件可包括例如玻璃和/或聚合物材料。
在本發(fā)明中，“粘合劑”是一種能夠?qū)蓚€固體接合在一起以便它們在按目標(biāo)用途使用時不會分離的材料。粘合劑可以是臨時性的或者是持久性的。
“面密度”是材料的每單位表面積上的質(zhì)量。
“復(fù)合物”是通過將兩種或多種獨立的材料粘合在一起得到的制品。所述材料的組成可以是相同的或者不同的。
“易碎的”材料是一種設(shè)計成在受到有充足動量的射彈沖擊時即裂成碎片的材料。非易碎的材料設(shè)計成在沖擊之后仍保持它的結(jié)構(gòu)。
“單晶藍(lán)寶石”是指a -Al2O3，又名金剛砂，主要是單晶。
“尖晶石”按本技術(shù)領(lǐng)域：
中熟知形式使用，是指一種具有尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，比如MgAl2O40
“半透明的”材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，這種材料允許光透過，但是在通過這種材料觀察時不能提供清晰的目標(biāo)影像。
“透明的”材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，這種允許光透過，而且在通過這種材料觀察時可提供清晰可辨的目標(biāo)影像?！翱梢姽馔该鞯摹辈牧鲜窃诳梢姽夥秶鷥?nèi)透明的?！癐R透明的”材料是在紅外光范圍內(nèi)透明的，而“UV透明的”材料是在紫外線范圍內(nèi)透明的。
“V50”是指鎧板的等級，描述的是:給定鎧板被射彈穿透50%時的特定射彈的速度。射彈射入鎧板的角度基本上垂直于射入點處的鎧板平面。如此，一個對于口徑.30裝甲彈(AP)，V50為2770英尺/秒(844米/秒)的鎧板，就是鎧板在該速度上被擊中時有近50%被穿透。
在一個方面，本發(fā)明的陶瓷復(fù)合物可是用作鎧板。復(fù)合物較佳地是透明的，可以經(jīng)得起射彈比如子彈或者空中碎片的沖擊。該復(fù)合物可防護(hù)車輛乘員在車輛受到攻擊時可能會身處的輕武器火力、榴彈、爆炸物及其他射彈的傷害。該復(fù)合材料可提供一個清晰的視野，使乘員可通過該鎧板查看環(huán)境狀況。復(fù)合物可以是平的(平面的)或者在一處或多處位置呈彎曲狀。陶瓷復(fù)合物的材料、厚度、尺寸和重量可根據(jù)預(yù)期的用途而變化。對于要求不高的應(yīng)用，可以使用較輕、較薄的復(fù)合物，可使用較厚較重的復(fù)合物來防護(hù)較強(qiáng)烈的射彈和多次打擊。在部分實施方式中，透明鎧板可以在來例如口徑.30的裝甲彈等自輕武器火力的一次或多次打擊后仍完整無損保持功能?？梢栽O(shè)計透明鎧板來防護(hù)許多不同的槍炮，包括等于或者大于以下口徑的彈丸:.22、.223、.30、.50(英寸)、5.56毫米、5.45毫米、6.8毫米和7.62毫米。
在部分實施方式中，該透明陶瓷復(fù)合物可以是一個由兩個、三個或更多的結(jié)構(gòu)組件形成的層壓材料。例如，該復(fù)合物可包括一個粘合在一個粘合于聚合物片上的玻璃片上的陶瓷片?；蛘撸搹?fù)合物可以是一個粘合在聚合物片上的陶瓷片，而其中的聚合物片又粘合至第二種聚合物片上。陶瓷片可以是非多晶型的，而且可以是單晶陶瓷，比如單晶藍(lán)寶石。所得三明治型復(fù)合物，比如在圖1中所示，可用作透明鎧板。圖1提供了一種復(fù)合物的一部分的剖視圖。復(fù)合物100包括一個外層，比如一個透明陶瓷片，例如，單晶藍(lán)寶石片110。片110可以直接粘合至一個中間層，比如玻璃片130，也可包括一個或多個居間的其它藍(lán)寶石片，比如片120。如果使用兩個或多個藍(lán)寶石片，它們通常有同樣或者相似的表面面積，雖然厚度可能是一樣的或者不相同的。玻璃片130與粘合于藍(lán)寶石片的表面相對的那個表面又粘合至一內(nèi)片，例如，一個聚合物片，比如聚碳酸酯片140。也可以使用多個玻璃片和/或聚合物片。復(fù)合物的每一組件可粘合至相鄰的組件。粘著或者粘合可以利用各種機(jī)械的或者化學(xué)的方法實現(xiàn)，包括例如熱固化膠粘劑、輻射固化膠粘劑、時效固化膠粘齊U、化學(xué)固化膠粘劑和/或催化劑固化膠粘劑。粘結(jié)層112、114和116可以是等同的、相似的或者不同的材料。聚碳酸酯層140可以涂覆(在暴露表面上)有一附加涂層118，它可以提供例如耐刮擦和/或抗結(jié)霧性。
所得陶瓷復(fù)合物可包括一系列的層，比如陶瓷/粘合劑/玻璃/粘合劑/聚合物。每一類型的層可以有多個。例如，一個更具體的復(fù)合物可包括(一個或多個)藍(lán)寶石片/聚乙烯醇縮丁醛粘合劑/低鐵玻璃/熱塑塑料聚氨酯(TPU)粘合劑/聚碳酸酯。每一層的厚度可以變化，而粘結(jié)層通常是黏結(jié)各片所要求的最小厚度。陶瓷片的厚度可以是例如從0.05至2或者3厘米。中間玻璃層的厚度可以是例如從0.1至10或者15厘米。聚碳酸酯內(nèi)層的厚度可以是例如從0.1至5厘米。TPU片可以是一個粘合劑片，將聚碳酸酯層粘合至另一層，例如，玻璃。在其它實施方式中，粘合劑例如TPU和聚碳酸酯層可以用單一材料替代，比如FAENAC 膜(FAE)，該膜可從法國的圣戈本薩利(Saint-Gobain Sully)購得。FAE可直接層壓至玻璃或者其它的表面上，可以使用約I毫米厚的FAE取代4.5毫米厚的TPU/PC層。通常，聚碳酸酯或者FAE層朝向安裝了復(fù)合物的車輛的內(nèi)部。
在復(fù)合物中可以使用一片或多片玻璃。部分實施方式可包括2片、3片、4片或更多片玻璃片。安裝玻璃片可提供，例如，最佳保護(hù)和/或最佳清晰度。在某些情況下，玻璃片可彼此相鄰，可通過粘合劑彼此結(jié)合或者可結(jié)合于復(fù)合物的其它組件。
當(dāng)使用了玻璃片時，不同的實施方式可使用不同類型的玻璃。例如，各種類型的玻璃可提供不同的強(qiáng)度或者光學(xué)特性?？梢允褂玫牟Ａь愋桶ǖ丸F玻璃、硼硅玻璃、“水白，，玻璃("water white" glass)、“特白”玻璃("extra white" glass)、金剛石玻璃(水白低鐵)和RC金剛石玻璃(化學(xué)強(qiáng)化)。
陶瓷復(fù)合物可以是各種形狀，可以是，例如，正方形的、圓形的、長方形的、梯形的、或者多邊形的。為了提供擴(kuò)展視野，長方形的形狀可能是首選的。陶瓷復(fù)合物通常有長度、寬度、和厚度，雖然每一個維度在復(fù)合物的各個地方會有所變化。復(fù)合物可以是基本上的平坦的，其厚度可以小于長度或者寬度的或者10%。在本發(fā)明中，長度是指可以完全覆蓋所測量的復(fù)合物或者片的(面積)最小的假想矩形的長度。例如，一個矩形的長度是它的常規(guī)長度；一個圓片的長度是它的直徑；而一個六角形的長度是兩個最遠(yuǎn)的頂點之間的量度。寬度是指同一假想矩形的寬度。厚度是指通過一個片或者復(fù)合物從一個表面測量到相對的另一個表面的維度。例如，一個30厘米X45厘米X3厘米的陶瓷復(fù)合物的厚度是3厘米，長度是45厘米，寬度是30厘米。
復(fù)合物的重要組件是那個或那些陶瓷片。復(fù)合物的表面可以是用單一的連續(xù)陶瓷片而不是馬賽克或者邊與邊結(jié)合的幾組片覆蓋。較大的片也可以黏結(jié)在一起形成馬賽克。對于同樣大小的馬賽克，較大的片可以減少膠結(jié)線，而膠結(jié)線較少則可減少片和/或復(fù)合物中的薄弱點。多個片可一個疊在另一個上面。陶瓷片可設(shè)計得易碎或者不易碎，其彈性模數(shù)可大于玻璃或者聚碳酸酯。陶瓷可具有高“硬度”。硬度包括塑性變形阻力、穿透阻力、壓入抗力和刮擦抗力。某些陶瓷，例如單晶藍(lán)寶石的硬度可以提供改善的抗劃傷性，這可能在不利條件下是有用的，比如在包括風(fēng)沙在內(nèi)的環(huán)境中。在部分實施方式中，材料的維氏硬度可大于1000、大于1500、大于1800、或者大于1900kg/毫米2。陶瓷還可有高“強(qiáng)韌性”。強(qiáng)韌性是使一個立方英寸的材料變形直到它斷裂所需要的功的數(shù)量。陶瓷可以是多晶或者單晶陶瓷。在部分情況下，陶瓷片可以是一個燒結(jié)的陶瓷片，雖然單晶陶瓷常常是首選的，因為例如它的光學(xué)性能優(yōu)異和/或彈性較好。適當(dāng)?shù)奶沾刹牧系姆歉F舉例子包括多晶A1203、單晶A1203(藍(lán)寶石)、氧氮化鋁和尖晶石。在部分實施方式中，陶瓷片可能基本上不含鎂。陶瓷可表現(xiàn)出非隨機(jī)晶體取方，可具有各向異性六方晶結(jié)構(gòu)。
陶瓷片可用晶塊來生產(chǎn)。然而，用晶塊的橫截面生產(chǎn)的陶瓷片可能受到限制，因為晶塊通常是圓柱形的，因而有一個圓形的橫截面。因此，從晶塊切割下來的片一般其寬度局限于晶塊的直徑。切正方形的片浪費最少，長方形的片成本就高了，而且切割的次數(shù)也多，相應(yīng)地產(chǎn)生浪費，才能生產(chǎn)出長度大于寬度的片。雖然可以從晶塊上切出不同的形狀，但是用一塊藍(lán)寶石來切割片可能是價高費時的。
多個陶瓷材料片可并排粘貼在一個公共襯底基片上形成馬賽克復(fù)合物。一個個的片可以彼此邊緣相抵或者可以用鋼制或者其它材料的框架連接。這種設(shè)計在有些情況下可能不是首選的，例如，由于框架的頻繁遮斷而使視野受到削弱。
在部分實施方式中，通過利用單片較大表面積的陶瓷片會因例如可以更有效地沖擊力分散作用而改善鎧板的性能，并且提供改善的視野。較大面積的片，例如，長度大于30、40,50,60或者70厘米的片可利用“邊緣限定膜進(jìn)料生長”法制作。此類生產(chǎn)方式的描述參見共有的美國專利申請10/820468，其發(fā)明人是Locher等人，發(fā)明名稱“單晶及其制備方法(Single Crystals Single Crystals andMethods for Fabricating Same)，，，申請日 2004年4月8日，該專利申請通過引用結(jié)合于此。這些方法可用于生產(chǎn)單晶藍(lán)寶石片供復(fù)合物之用，并且可以有大于15厘米、大于20厘米或者大于25厘米的維度。這種片的長度可以明顯大于寬度。例如，寬度可以小于或者等于長度的90^^80^^70%或者60%。片的厚度可以基本上是均勻的，可以是 大于或等于0.05厘米、0.07厘米、0.1厘米、0.2厘米、0.3厘米、0.4厘米、0.5厘米、0.7厘米或者I厘米。類似地，片的厚度可以小于0.05厘米、0.07厘米、
0.1厘米、0.2厘米、0.3厘米、0.4厘米、0.5厘米、0.7厘米、I厘米、2厘米或者3厘米。在部分實施方式，藍(lán)寶石片的形狀是基本上長方形的、正方形的、圓形的、多邊形的等等，可提供理想的適用于透明鎧板的形狀。在部分實施方式中，片可透過大于25%、50%、70%、80%、或者90%的可見光、紅外線和/或紫外線。還可以實現(xiàn)下至約200nm、上至約2至3μ m的波長的大量透射。這種片通常有一個高彈性模量，可以經(jīng)得起一個至少等于約200倍的擊碎同等玻璃片的力。這種片可以是在空氣中非易燃的，并表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱性能.[0052]表面積較大的陶瓷片可提供改善的視野，并且還可使沖擊力分散作用更光，特別是在經(jīng)受反次打擊時得到更大的保護(hù)。得到的結(jié)果可以是一個非易碎的陶瓷復(fù)合物，能夠在經(jīng)受多次打擊時提供保護(hù)作用。雖然有的透明鎧板的設(shè)計是在受到?jīng)_擊時破碎，但常常首選的是鎧板和/或鎧板的陶瓷部分在受到?jīng)_擊后保持完好。
可以使用各種尺寸的陶瓷復(fù)合物，往往取決于目標(biāo)應(yīng)用。例如，本申請的連續(xù)不斷的(非馬賽克)陶瓷片的表面積可大于100平方厘米、大于200平方厘米、大于250平方厘米、大于300平方厘米、大于400平方厘米、大于500平方厘米或者大于1000平方厘米。利用該陶瓷片制造的連續(xù)不斷的復(fù)合物可具有高表面積，該表面積除以復(fù)合物厚度(平方厘米/厘米)可以例如大于10厘米、大于25厘米、大于50厘米、大于100厘米、大于250厘米、大于500或者大于1000厘米。
陶瓷復(fù)合物的面密度也可根據(jù)預(yù)期應(yīng)用而變化。較厚的偏或者附加的外片、內(nèi)片在或者中間片可被用來增強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度并可導(dǎo)致復(fù)合物面密度的增加。陶瓷復(fù)合物的面密度可小于或者等于200kg/m2、小于或等于100kg/m2、小于或等于80kg/m2、小于或等于70kg/m2、小于或等于58.7kg/m2、小于或等于52.8kg/m2、小于或等于45kg/m2、小于或等于40kg/m2、小于或等于30kg/m2、或者小于或等于約17.5kg/m2。
合成物可部分地根據(jù)最終復(fù)合物的預(yù)期用途具有不同的厚度。例如，與用于阻止低動量射彈的穿透的復(fù)合物相比，用于阻止高動量射彈的穿透的復(fù)合物厚度要大些。例如，不同的實施方式的厚度可大于200毫米、小于或等于200毫米、小于150毫米、小于120毫米、小于100毫米、小于80毫米、小于70毫米、小于60毫米、小于50毫米、小于40毫米、小于30毫米或者小于25毫米。
陶瓷片和/或陶瓷復(fù)合物可以是平坦的或者可包括至少一個放射狀部分。在許多實施方式該陶瓷的帆腳索是真實的平坦的。一個真實的平坦的帆腳索可能是形成，例如，由邊緣定義膜付費增加技術(shù)和可導(dǎo)致一個適當(dāng)?shù)姆_索無任何的加添的機(jī)械加工的或者二次加工。一個基本上平坦的片可以例如用邊緣限定膜進(jìn)料生長技術(shù)來制成，并可產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)钠鵁o需任何其它的機(jī)械加工或者二次加工。為了生產(chǎn)一個并非基本上平坦的彎曲片，這種片可以用曲面或者放射狀部分，比如管子的一部分，來生長。平坦的或者非平坦的片可用來生產(chǎn)透明陶瓷復(fù)合物，比如可能用作例如飛機(jī)、宇宙飛船和卡車及裝甲運兵車之類的車輛的擋風(fēng)玻璃的透明鎧板。
一個陶瓷片，比如一個藍(lán)寶石片，可以有堆疊在一起的多個片形成，例如，一個片可以粘合至第二個或者第三個片生產(chǎn)一個厚度較大的藍(lán)寶石組件。每一片的尺寸可以是等同的或者相似的，可以利用已知粘合方法粘合至另一個片或另兩個片，比如利用膠粘劑或者諸如夾具之類的機(jī)械裝置。適當(dāng)?shù)哪z粘劑較佳地是透明的，有許多已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知。膠粘劑可以熱固化型、輻射固化型、時效固化型、化學(xué)固化型和催化劑固化型，包括例如聚胺酯、熱塑性聚胺酯、環(huán)氧樹脂類、硅樹脂、聚乙烯醇縮丁醛、和金屬基膠粘劑。
除陶瓷層之外，一個陶瓷復(fù)合物可包括一個支撐材料，并且還和包括一個中間層。支撐層(即內(nèi)層)有助于提供例如支撐和沖擊力分散作用，且可以有助于滯留如若不然即會穿透該復(fù)合物的那些碎片和射彈。支撐材料可以任何厚度或者形狀，可以比陶瓷片厚或者薄。支撐材料可以是透明的，較佳地是與其同時使用的陶瓷片在同樣的波長上透明的。例如，一個在可見光譜區(qū)透明的藍(lán)寶石片可以粘合至一個在可見光譜區(qū)透明的聚碳酸酯片。如果復(fù)合物將用作紅外線觀察窗，則支撐材料可以是對紅外線透明的。相似的，它還可以是對紫外輻射透明的。在部分實施方式中，內(nèi)層可以是一個聚合物比如聚碳酸酯。內(nèi)層可以在內(nèi)(外露)表面上包括一個涂層，比如一個耐刮擦涂層或者抗霧涂層。許多此類涂層為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知。多個支撐材料片可以彼此堆疊，并且可以利用膠粘劑彼此粘合，比如聚胺酯、熱塑性聚胺酯、環(huán)氧樹脂、硅樹脂和金屬基膠粘劑。諸如電導(dǎo)絲之類的材料也可置于層上或者層間，以提供例如電阻加熱，用于除冰或者去霧。適當(dāng)?shù)闹尾牧习ㄍ该鳠崴苄运芰匣蛘邿峁绦徒M合物，比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(BS)、縮醛樹脂、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、丙烯酸樹脂和改性丙烯酸樹脂、烯丙基樹脂、三乙酸纖維素、氯化聚醚、乙基纖維素、硬質(zhì)和軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、氟塑料、離子聚合物-“Surlyn A”(DuPont出品)、三聚氰胺、尼龍、聚對亞苯基二甲基聚合物、透明酚醛塑料(熱固性)、苯氧基樹脂、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚亞苯基、聚丙烯、聚苯乙烯、聚胺酯(熱塑性和熱固性和高密度)、聚砜、聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚乙烯醇、聚氟乙烯、聚乙烯醇縮丁醛、PVB/聚酯薄膜層積材、聚偏氯乙烯、硅樹脂、苯乙烯-丙烯腈和苯乙烯-丁二烯共聚物。
也可以使用中間材料或者中間層，提供例如支撐以及力分布作用。中間層既可粘合至陶瓷層也可粘合至支撐層。在部分實施方式中，中間層的厚度或者質(zhì)量大于陶瓷層或者支撐層。其結(jié)果是，中間材料對復(fù)合物質(zhì)量的貢獻(xiàn)率大于40 %、大于50 %、大于60 %、大于70%、大于80%、或者大于90%。在一組實施方式中，中間層是玻璃，在部分實施方式中可以使用低鐵玻璃。中間層可以在與復(fù)合物的外層(陶瓷)和內(nèi)層一樣的波長范圍內(nèi)透明。例如，如果外層和內(nèi)層在可見光譜區(qū)透明，則中間層也可在可見光譜區(qū)透明。諸材料不必在整個擴(kuò)展波長范圍內(nèi)都有共同的透射系數(shù)，但是透射特征最好交疊生產(chǎn)一個小范圍，使得整個復(fù)合物有令人滿意的透射。例如，可以對陶瓷層、內(nèi)層和中間層加以選擇使整個可見光譜區(qū)透射。中間層材料的非窮舉例子包括玻璃、陶瓷和聚合材料。中間層可以或通過機(jī)械方式或者通過粘合劑粘合至內(nèi)層或者外層。例如，適當(dāng)?shù)哪z粘劑包括聚胺酯、熱塑性聚胺酯、環(huán)氧樹脂、硅樹脂和金屬基膠粘劑。復(fù)合物的諸層可綜合利用熱和壓力彼此結(jié)合。較佳地，片層穩(wěn)固地彼此固定，光清晰度得到維持或者改善。當(dāng)被用做察看應(yīng)用時，比如用做透明鎧板，光清晰度可能是很重要的，優(yōu)選使透射值大于70%、大于75%、大于80%、或者大于85%。還會優(yōu)選霧度值小于3%。
為了形成復(fù)合物，各個片可以臨時固定在一起，例如，用帶子固定，然后置入一個真空袋中。這個真空袋可以被放入一個腔室中，比如放入一個高壓釜中，并且在袋上施加(drawn on)真空。真空度在不同應(yīng)用之間有所變化，可以是例如大于100毫托、大于50毫托或者大于10毫托。在袋中處于局部真空的同時，該腔室可以被加壓和/或加熱?？梢允褂玫膲毫Πù髿鈮?、大于大氣壓、大于2巴、大于4巴或者大于8巴。在部分實施方式中，壓力可以在一個壓力腔室中施加或者通過機(jī)械裝置，例如，滾子或者壓具施加。壓力和熱可以施加到聚合物片達(dá)到軟化點，使氣泡排出并聚合物(例如PVB)變得澄清和流動。
例如，軟化溫度可以是大于70°C、大于80°C、大于90°C、大于100°C、大于120°C、大于150°C、大于160°C、大于200°C或者大于250°C。最佳溫度部分地取決于所施加的壓力和用于將陶瓷(藍(lán)寶石)片、玻璃片和聚碳酸酯片結(jié)合在一起的具體材料。隨著氣泡排出、聚合物軟化，窗體的光清晰度得到改善，復(fù)合物變得透明。觀測這種變化有助于指明何時獲得壓力和溫度的最佳組合。藍(lán)寶石或者玻璃上面向內(nèi)部的表面上的瑕疵或者參差不齊可由流動的PVB充填。在聚合或者硬化或者冷卻之后，復(fù)合物的諸組件彼此之間保持可靠的固定，所有的帶子或者其它的夾持件可以撤去。可以用不同的方法來測試陶瓷復(fù)合物承受沖擊的能力。一種方法是，一個陶瓷復(fù)合物，比如陶瓷鎧板，被穩(wěn)固地支撐在一個架子上，用一個射彈進(jìn)行沖擊，比如用步槍彈丸。當(dāng)彈丸穿過內(nèi)層，例如，一個聚碳酸酯層時，則認(rèn)為陶瓷鎧板已被完全被穿透。為了確定具體射彈的V5tl,以零度的傾角用多個不同的速度向鎧板發(fā)射射彈(projectile)。將不穿透鎧板的兩個最高速度和穿透鎧板的兩個最低速度取平均值來獲得V5(l。本發(fā)明中報告的所有彈道試驗結(jié)果都是用以零度傾角發(fā)射的射彈確定的，或者根據(jù)測試技術(shù)以最大合理可能接近零度，除非另有說明。
在部分實施方式中，陶瓷復(fù)合物能夠阻止穿透和/或?qū)崿F(xiàn)的V5tl為至少740m/
S、大于 800m/s、大于 843m/s、大于 850m/s、大于 900m/s、大于 950m/s、大于 1000m/s 或者大于1100m/S。在各種實施方式中，可以針對以下射彈實現(xiàn)這種水平的防護(hù):口徑.30的 AP、口徑.50、7.62X51 M-80 彈丸、7.62X39 ΑΡΙ_ΒΖ、7.62X51 AP(Μ61)、7.62X54 RΒ32 (Dragonov)、和7.62 X 51 AP-WC。為了防護(hù)這些射彈，在不同的實施方式中，復(fù)合物的面密度可以是，例如，小于200kg/m2、小于165kg/m2、小于135kg/m2、小于110kg/m2、小于80kg/m2、小于70kg/m2、小于58.7kg/m2、小于50kg/m2、或者小于40kg/m2。為了防護(hù)口徑.50的AP，復(fù)合物的面密度可以是例如小于200kg/m2、小于150kg/m2、小于120kg/m2、小于100kg/m2、小于80kg/m2、或者小于50kg/m2。為了防止在對同一復(fù)合物有多次射彈沖擊時穿透，可設(shè)計復(fù)合物有較高的表面密度。
實施例
制造了若干個藍(lán)寶石復(fù)合物樣品，并通過彈道試驗進(jìn)行評價，確定他們作為透明鎧板的有效性。結(jié)果表明，本發(fā)明的陶瓷堿透明復(fù)合物可以有效地阻止包括單發(fā)和多發(fā)子彈在內(nèi)的各種射彈穿透。此外，這種防護(hù)水平可以在低于常規(guī)玻璃型鎧板的面密度和厚度的情況下獲得。
對兩種不同的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了十一種不同的射彈測試。每一個層壓板的長度是150毫米，寬度是150毫米。若無相反說明，這些樣品的藍(lán)寶石片是通過邊緣限定膜進(jìn)料生長技術(shù)形成的。
各復(fù)合物制備如下。各組件層堆疊在一起，用帶子固定，放入一個真空袋中。對放入了高壓釜的袋施加真空，其中約8巴(116psi)的壓力作用在疊層上。如此，則疊層在袋內(nèi)處于真空之下，但在高壓釜中受到壓力。溫度提升到PVB層開始流動的水平，約為125攝氏度。適當(dāng)?shù)臏囟瓤呻S壓力變化-當(dāng)流動出現(xiàn)時，PVB變澄清，這種澄清可以被觀測員注意至IJ，可用于選擇適當(dāng)?shù)臏囟?。壓力和溫度被維持約150分鐘。然后將壓力釋放，使復(fù)合層壓板冷卻。在冷卻后，將帶子撤去，諸層可靠地結(jié)合在一起了，復(fù)合物在霧度和透明度方面表現(xiàn)出優(yōu)異的的光學(xué)性質(zhì)。
在前八個試驗(A組)中，使用的是以下藍(lán)寶石復(fù)合層壓板(提供了各層的排列次序，但是不應(yīng)當(dāng)推斷各層放置的具體時間順序):
復(fù)合物A在物理順序上包括，6.35毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、8毫米玻璃片、3毫米TPU片、和3毫米聚碳酸酯片，形成一個五層復(fù)合層壓板。所得復(fù)合物在表I和表2中被稱作“6.35藍(lán)寶石/.76PVB/8毫米玻璃/3毫米TPU/3毫米PC”。面密度是52.12kg/m2。另外用以下層壓板做了三個試驗(B組):
復(fù)合物B按物理順序包括6.35毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白、低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、4毫米RC金剛石玻璃(化學(xué)強(qiáng)化玻璃)片、
2.5毫米TPU片、和3毫米聚碳酸酯(PC)片，形成一個七層復(fù)合層壓板。所得復(fù)合物在表I中被稱作組成B。面密度是72.78kg/m2。也對組成B進(jìn)行分析以確定光透射和霧度值。測定的光透射度值為從85.3至85.9%的透射率。相同樣品測定的霧度值為從0.99至1.25%。這些透射度和霧度值表明:這些復(fù)合物可用于其中清晰的視野可能非常重要的透明鎧板應(yīng)用中。[0070]為了阻擋不同的射彈，對不同的層壓板做了附加試驗。復(fù)合物C、D、E和F包括以下組件:
復(fù)合物C按物理次序包括:6.35毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、4毫米RC金剛石玻璃(化學(xué)強(qiáng)化玻璃)片、
0.94 毫米 FAE。面密度是 67.46kg/m2。
復(fù)合物D按物理次序包括10個組件:6.35毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、6.35毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、3毫米RC金剛石玻璃(化學(xué)強(qiáng)化玻璃)片、0.94毫米FAE。面密度是159.21kg/m2。
復(fù)合物E按物理次序包括10個組件:7.62毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、7.62毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、3毫米RC金剛石玻璃(化學(xué)強(qiáng)化玻璃)片、0.94毫米FAE。面密度是169.llkg/m2。
復(fù)合物F按物理次序包括以下組件:7.62毫米藍(lán)寶石片、0.76毫米PVB片、12毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、10毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、4毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、0.76毫米PVB片、3毫米“金剛石玻璃”(水白，低鐵玻璃)片、1.25毫米TPU片、0.94毫米FAE。面密度是107.97kg/m2。
試驗步驟
每個藍(lán)寶石復(fù)合物樣品的形式都是150 X 150毫米件，用單發(fā)發(fā)射(除多發(fā)發(fā)射的樣品19外)進(jìn)行彈道學(xué)試驗。復(fù)合物的物理性質(zhì)和彈道學(xué)結(jié)果示于表I。在“穿透”欄中結(jié)果為“是”時，意味著至少是形成的碎片通過了最后的聚碳酸酯層(最后的聚碳酸酯層被穿透)。結(jié)果為“否”時，意味著也許藍(lán)寶石面和玻璃有局部的穿透，但是，射彈沒有穿透該復(fù)合物，而且碎片被遏制在了聚碳酸酯層(最后的聚碳酸酯層沒穿透)。
彈道試驗是在受控條件下在合格的彈道試驗靶場內(nèi)完成的。所有子彈都是在對復(fù)合物表面成零度傾斜角的情況下發(fā)射的。對于樣品1-8，射彈是在10米的距離發(fā)射的，用光學(xué)速度檢測器在靶前2.5米處測定射彈速度。對于樣品9-18，射彈是在50米的距離發(fā)射的，用光學(xué)速度檢測器在靶前6.5米處測定射彈速度。對于樣品19，射彈是在3.2米的距離發(fā)射，用光篩選器(light screen box)在IE前1.1米處測定射彈速度。
測試的第一批樣品(樣品#1到8，參見表1(圖2))厚度為21.1毫米，面密度為52.12kg/m2。這種復(fù)合物結(jié)構(gòu)阻擋了速度為835m/s的7.62X 51 M80彈丸(樣品號#1)。在圖3A和4A中可以看到該透明鎧板的變形。利用相同的結(jié)構(gòu)(樣品號#2-4)，然后用7.62X39毫米AP1-BZ進(jìn)行測試。該系統(tǒng)同樣阻擋了三個不同速度的射彈，最高達(dá)776m/s。圖3B和4B中可看到776m/s射彈的變形。
對7.62X51毫米AP M61 (硬鋼核心)彈丸的測試是在21.1毫米的厚度(樣品號#5-8，表1(圖2)上完成的。以768m/s的速度發(fā)射時，這種彈丸(局部穿透)也被阻擋了。
下一個進(jìn)行彈道試驗的復(fù)合物是大厚度的(復(fù)合物B，樣品號#9-11，見表I)，為29.4毫米厚，面密度為72.78kg/m2。這個復(fù)合物阻擋了(局部穿透)速度為858m/s的7.62X54 R B32 API彈丸(Dragonov)。據(jù)信單用玻璃的方案要阻擋這樣的彈丸，其厚度需達(dá)50毫米以上，面密度要大于115kg/m2。
測試樣品號碼12是在復(fù)合物C上完成的，其厚度為24.87毫米，面密度為67.46kg/m2。該復(fù)合物成功的阻擋了速度為864m/s的7.62X54 RB32彈丸。
測試樣品13-14是在復(fù)合物D上完成的，其厚度為約43.7毫米，面密度為159.21kg/m2。該復(fù)合物成功地阻擋了速度為917m/s的7.62X51 AP-WC射彈。
測試樣品15-18是在復(fù)合物E上完成的，其厚度為約46.3毫米，面密度為169.lkg/m2。該復(fù)合物成功地阻擋了速度為918m/s的7.62X51 AP-WC射彈。
測試樣品19是在復(fù)合物F上完成的，其厚度為約41.85毫米，面密度為107.97kg/m2。不同于其它試驗，該復(fù)合物測得為300毫米X300毫米。依次在面板中心附近彼此成120度、相距150毫米處發(fā)射三發(fā)子彈(多發(fā)試驗)。該復(fù)合物成功地阻擋了以850m/s沖擊的三個連續(xù)的7.62X63毫米APM 2彈丸。
光學(xué)試驗
以上所測試的藍(lán)寶石基復(fù)合物展示的光透明度優(yōu)于那些能夠提供相同防護(hù)級別的玻璃基復(fù)合物。光透射和霧度利用ASTM D1003-00技術(shù)測量，是測定透明塑料霧度和光透射比的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。測量中使用濁度計。厚度為29.4的藍(lán)寶石透明鎧板體系(復(fù)合物B)表現(xiàn)出的透射率大于85%，霧度為約I %。通過添加其它玻璃層將體系的厚度提高到41.1毫米，使透射率下降至約84%，霧度沒有可察覺的變化。為了對比，與29.4的藍(lán)寶石透明鎧板體系具有相似的彈道防護(hù)的代表性玻璃鎧板所表現(xiàn)的光透明度為73%，霧度為約0.6%。
如此描述了本發(fā)明至少一個實施方式的若干方面，應(yīng)當(dāng)明白，各種各樣的變更、更改、和改善對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易想到的。此類變更、更改、和改善是本發(fā)明的一部分，應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，以上描述和附圖只是示例而已。
所有引用的文獻(xiàn)，在本發(fā)明中引用或參照的專利、專利申請和出版物，就通過引用全文結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種透明的陶瓷復(fù)合物，其對于.30AP射彈具有大于843m/s的V5tl值和小于3.75cm的平均厚度，面密度低于58.7kg/m2，所述透明的陶瓷復(fù)合物包括單晶藍(lán)寶石片和一玻璃片。
2.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其包括不多于一個的單晶藍(lán)寶石片。
3.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其包括一個不易碎的陶瓷片。
4.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于50cm2。
5.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于100cm2。
6.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于250cm2。
7.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于900cm2。
8.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于1200cm2。
9.如權(quán)利要求
2所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的表面積大于1500cm2。
10.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的厚度大于0.07cm。
11.如權(quán)利要求
1所 述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片有一個維度大于30cm。
12.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述復(fù)合物是非平面的。
13.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片具有至少一個大于15cm的維度。
14.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片具有至少一個大于20cm的維度。
15.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片具有至少一個大于25cm的維度。
16.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述復(fù)合物的平均厚度小于2.5cm。
17.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述復(fù)合物的平均厚度小于3cm。
18.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中單晶藍(lán)寶石片的長度大于單晶藍(lán)寶石片的寬度，單晶藍(lán)寶石片的寬度大于30cm。
19.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的厚度大于0.07cm。
20.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的厚度小于0.9cm。
21.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的厚度小于0.5cm。
22.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述單晶藍(lán)寶石片的厚度小于2cm。
23.如權(quán)利要求
13所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述復(fù)合物對IR、UV或者可見光是透明的。
24.如權(quán)利要求
1所述的陶瓷復(fù)合物，其中所述玻璃片包括硼硅玻璃、金剛石玻璃、水白玻璃、低鐵玻璃、特白玻璃或化學(xué)增強(qiáng)玻璃。
25.一種制造透明陶瓷復(fù)合物的方法，其包括將單晶藍(lán)寶石片粘合至一個玻璃片，其中所述片至少有一個維度大于15cm，所述透明陶瓷復(fù)合物對于.30AP射彈具有大于843m/s的V50值和小于3.75cm的平均厚度，面密度低于58.7kg/m2,所述透明的陶瓷復(fù)合物包括單晶藍(lán)寶石片和一玻璃片。
26.如權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述復(fù)合物的平均厚度小于5cm。
27.如權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述復(fù)合物的平均厚度小于2.55cm。
28.如權(quán)利要求
25所述的方法，還包括將一聚合物片粘合至所述玻璃片。
29.如權(quán)利要求
28所述的方法，其中所述聚合物片包括聚碳酸酯。
30.如權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述單晶藍(lán)寶石片用下述粘合劑粘至所述玻璃片，所述粘合劑包括金屬基膠粘劑、聚乙烯醇縮丁醛、硅樹脂、聚氨酯或環(huán)氧樹脂。
31.如權(quán)利要求
25所述的方法，其包括將第二單晶藍(lán)寶石片粘合至所述單晶藍(lán)寶石片。
32.如權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述玻璃片有至少一個維度大于15cm。
33.如權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述玻璃片有至少一個維度大于20cm。
34.如權(quán)利要求
25所述的方法,其中所述玻璃片有至少一個維度大于25cm。
35.如權(quán)利要求
25所述的方法,其中所述玻璃片有至少一個維度大于50cm。
36.如權(quán)利要求
25所述的方法,其中所述玻璃片有至少一個維度大于70cm。
專利摘要
提供了一種陶瓷復(fù)合物及其制造方法。該陶瓷復(fù)合物可以是透明的，并且可充當(dāng)透明鎧板。該復(fù)合物的陶瓷部分可以是單晶藍(lán)寶石。該復(fù)合物可相對于射彈的攻擊提供充分保護(hù)，同時具有大表面積和較低的面密度。
文檔編號F41H5/04GKCN101194141SQ200680020530
公開日2013年5月22日 申請日期2006年6月9日
發(fā)明者C·D·瓊斯, J·B·里烏, J·W·洛切, E·S·卡爾森, K·R·法雷爾, B·C·弗奇納, V·普魯恩, M·曼德拉茨 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),