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1. WO2020133743 - BULLETPROOF COMPOSITE MATERIAL AND BODY ARMOR

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

附图

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

说明书

发明名称 : 一种防弹复合材料及防弹衣

技术领域

[0001]
本发明属于防弹技术领域,具体涉及一种新型的防弹复合材料及防弹衣。

背景技术

[0002]
目前防弹衣主要分为软体,硬体和软硬复合体三种。其中软质防弹衣的材料主要以高性能纺织纤维的复合材料无纬布为主,在受到子弹冲击时,高性能纤维材料会被弹丸拉伸和剪切,冲击力会向冲击点以外的区域扩散,从而吸收子弹的能量;而软硬复合体防弹衣是将软质防弹层作为第二道防线,子弹首先冲击硬质防弹层,消耗掉部分能量后再与软质防弹层接触,起到防弹作用。对于软质防弹衣和软硬复合防弹衣,由于软质防弹层的材料中破裂得早,导致防弹效果较差。
[0003]
因此有必要设计一种新型的防弹复合材料及防弹衣,以克服上述问题。
[0004]
发明内容
[0005]
为了克服上述现有技术存在的不足,本发明的目的是提供一种防弹复合材料及防弹衣,能够提高防弹效果。
[0006]
为实现上述目的,本发明的技术方案为一种防弹复合材料,包括软质防弹层和扭转双层石墨烯层,所述扭转双层石墨烯层设置于所述软质防弹层的迎弹面一侧,所述扭转双层石墨烯层的两层单层石墨烯之间的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°。
[0007]
优选的,所述扭转双层石墨烯层的两层单层石墨烯之间的扭转角度为7.34°或18.73~25.04°。
[0008]
进一步地,所述扭转双层石墨烯层的厚度为0.45~0.6nm。
[0009]
进一步地,所述软质防弹层为超高分子量聚乙烯纤维无纬布或芳纶无纬布。
[0010]
进一步地,所述软质防弹层的厚度为20mm~30mm。
[0011]
进一步地,所述扭转双层石墨烯层的迎弹面一侧设有硬质防弹层。
[0012]
更进一步地,所述硬质防弹层为氧化铝板、合金铝板、碳化硼陶瓷板、碳化硅板、玻璃钢板或陶瓷复合板。
[0013]
更进一步地,所述硬质防弹层的厚度为10mm~20mm。
[0014]
本发明还提供一种防弹衣,所述防弹衣是采用上述防弹复合材料制备而成。
[0015]
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0016]
(1)本发明提供的防弹复合材料通过在软质防弹层的迎弹面覆盖具有一定扭转角度的扭转双层石墨烯层,扭转双层石墨烯层的变形会带动软质防弹层材料的变形,且具有一定扭转角度的扭转双层石墨烯层很难被穿透,对下层的软质防弹层材料起到保护作用,同时带动下层的软质防弹层材料形变,使下层软质防弹层材料吸收更多能量,从而使防弹复合材料的防弹性能得到极大提升,提高了防弹衣的整体防弹性能;
[0017]
(2)本发明提供的防弹复合材料中软质防弹层材料通过变形将冲击能量扩散到冲击区域以外,与具有一定扭转角度的扭转双层石墨烯层协同作用进一步提高防弹效果;同时内层的软质防弹层材料阻碍了扭转双层石墨烯层的形变,也保护了扭转双层石墨烯;
[0018]
(3)本发明提供的防弹复合材料中扭转双层石墨烯层的重量和厚度几都很小,几乎可以忽略不记,在保证防弹效果的前提下,防弹衣的重量和厚度可大大减小,有利于提高防弹衣的舒适性。

附图说明

[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0020]
图1为本发明实施例提供的防弹复合材料的结构示意图;
[0021]
图2为本发明实施例提供的防弹复合材料的结构示意图;
[0022]
图3为本发明实施例提供的防弹复合材料的扭转双层石墨烯层的结构示意图;
[0023]
图4为本发明实施例提供的采用金刚石小球碰撞不同扭转角度的扭转双层石墨烯时金刚石小球在碰撞过程中的动能随时间的变化关系图;
[0024]
图5为本发明实施例提供的采用金刚石小球碰撞不同扭转角度的扭转双层石墨烯后扭转双层石墨烯吸收的总能量和扭转角度的关系图;
[0025]
图6为本发明实施例提供的石墨烯的碰撞过程示意图;
[0026]
图7为本发明实施例提供的在通过碰撞中心的一条直线上距离碰撞中心为3.57nm处双层石墨烯和扭转21.79°的扭转双层石墨烯的下层石墨烯中的单个原子的能量随时间的变化关系的对比图;其中带空心三角符号的曲线是扭转角为21.79°的扭转双层石墨烯的相应的位移随时间的变化关系图;
[0027]
图8为本发明实施例提供的在通过碰撞中心的一条直线上距离碰撞中心为7.14nm处双层石墨烯和扭转21.79°的扭转双层石墨烯的下层石墨烯中的单个原子的能量随时间的变化关系的对比图;其中带空心三角符号的曲线是扭转角为21.79°的扭转双层石墨烯的相应的位移随时间的变化关系图;
[0028]
图9为本发明实施例提供的在通过碰撞中心的一条直线上距离碰撞中心为10.71nm处双层石墨烯和扭转21.79°的扭转双层石墨烯的下层石墨烯中的单个 原子的能量随时间的变化关系的对比图;其中带空心三角符号的曲线是扭转角为21.79°的扭转双层石墨烯的相应的位移随时间的变化关系图;
[0029]
图10为本发明实施例提供的在碰撞过程中不同扭转角度的扭转双层石墨烯上的锥形波的传播速度图;
[0030]
图中:1、软质防弹层,2、扭转双层石墨烯层,3、硬质防弹层。

具体实施方式

[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0032]
如图1所示,本发明实施例提供一种防弹复合材料,包括软质防弹层1和扭转双层石墨烯层2,所述扭转双层石墨烯层2设置于所述软质防弹层1的迎弹面一侧,所述扭转双层石墨烯层2的两层单层石墨烯之间的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°。如图3所示,扭转双层石墨烯层2的两层单层石墨烯之间具有一定的扭转角度;本实施例提供的防弹复合材料通过在软质防弹层的迎弹面覆盖具有一定的扭转角度的扭转双层石墨烯(twisted bilayer graphene,tBLG)层,其很难被穿透,对下层的软质防弹层材料起到了保护作用,同时会带动下层的软质防弹层材料形变,使下层软质防弹层材料吸收更多能量,使防弹复合材料的防弹性能得到极大提升,提高防弹效果;位于下层的软质防弹层材料变形可以将冲击能量扩散到冲击区域以外,与tBLG协同提高防弹效果,同时下层的软质防弹层材料阻碍了tBLG层的形变,也保护了tBLG。
[0033]
本实施例采用直径7nm的金刚石小球,以2.2km/s的速度撞击tBLG样品和没有扭转的双层石墨烯(BLG)样品,结果如图4和图5所示。从图4可以看 出,当采用扭转角度为7.34°、18.73°、21.79°、25.04°的tBLG样品时,金刚石球的动能在10ps后会降到零(图4中仅画出扭转角度为21.79°的曲线,扭转角度为7.34°、18.73°、25.04°的曲线几乎与它重合),这表明金刚石小球无法穿透tBLG样品;而采用扭转角度为9.43°的tBLG样品时,金刚石小球在4.5ps后的动能开始比没有扭转的双层石墨烯(即图4中扭转角度为0.00)的情况低,虽然动能没有降为零,但是扭转角度为9.43°的tBLG吸收的能量比BLG多,因此扭转角度为9.43°的tBLG的防弹效果也比BLG好。从图5可以看出,当扭转双层石墨烯的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°时,tBLG吸收的能量均大于BLG(扭转角度为0)吸收的能量,因此,当扭转双层石墨烯的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°时,tBLG样品的防弹效果优于BLG样品;而在扭转角度为1.08°,3.89°,13.17°,16.43°,30.16°的情况下,tBLG吸收的能量比BLG(扭转角度为0)吸收的能量少,即扭转角度为0~4.44°,10.20~15.31°,28.35~30.00°的tBLG的防弹效果比BLG还还差。本实施例通过分子动力学模拟对tBLG的防弹性能进行测试,表明扭转角度对tBLG的防弹性能有较大的影响,在某些角度下tBLG的防弹性能比BLG高;综合图4和图5可以得出,扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°的tBLG的防弹性能比没有扭转的双层石墨烯(BLG)的防弹性能好。
[0034]
作为优选的实施方式,所述扭转双层石墨烯层2的两层单层石墨烯之间的扭转角度为7.34°或18.73~25.04°。从图4可以看出,在扭转角度为7.34°、18.73°、21.79°、25.04°时,2.2km/s的金刚石小球无法穿透tBLG样品;从图5中还可以看出,在扭转角度为7.34°、18.73°、21.79°、25.04°时,tBLG吸收的能量比其余扭转角度的tBLG吸收的能量都高,且扭转角度在18.73°~25.04°之间,tBLG吸收的能量也都较高;因此,综合图4和图5可以得出, 在扭转角度为7.34°、18.73~25.04°时,tBLG样品的防弹效果最佳。本实施例通过设计扭转双层石墨烯的最佳扭转角度,使能量扩散速率最快,从而使防弹衣中的软质防弹材料的防弹性能得到最大的提升,最大的提高防弹衣整体防弹性能。
[0035]
本发明的设计原理如下:普通石墨烯在承受撞击时,会通过变形将碰撞能量疏散到离碰撞中心很远的区域。如图6所示,子弹碰撞石墨烯后,碰撞中心处的石墨烯向下凹陷,形成一个以碰撞中心为顶点的圆锥,这一圆锥像波一样迅速往外传播,将碰撞能量疏散;与此同时,在石墨烯表面还会产生轴向应力波,以比锥形波更快的速度向四周传播,这同样起到了疏散能量的作用。
[0036]
图7-图9分别是在通过碰撞中心的一条直线上距离碰撞中心分别为3.57nm,7.14nm和10.71nm处,双层石墨烯(BLG)和扭转21.79°的扭转双层石墨烯(tBLG)的下层的单层石墨烯中的单个原子的能量随时间的变化关系的对比,其中下层的单层石墨烯中的单个原子的位移随时间的变化关系仅给出了扭转角度扭转21.79°的tBLG的,用带空心三角符号的曲线表示。位移曲线中发生大幅度的下降就表明锥形波传播到了这个点,在锥形波到来之前,可以看到这个点已经开始有规律地小幅震动,这是速度较快的轴向应力波经过这个点导致的,与相应的能量-时间曲线比较可以发现,该原子在锥形波传到之后能量达到了最大值,在轴向应力波经过时能量虽然有所增加,但幅度并不大,所以能量主要是通过锥形波向周围疏散的。图10进一步比较了不同扭转角度的tBLG在碰撞过程中锥形波的传播速度,可以看到基本都在7.1Km/s左右。综上,tBLG和BLG在碰撞过程中能量的横向传输效率相差不大,但是因为某些扭转角下的tBLG难以被穿透,所以可以吸收更多能量,具有更好的防弹效果。
[0037]
因此,当把具有一定的扭转角的tBLG覆盖在原有的软质防弹层的迎弹面之 上时,tBLG的变形会带动下层的软质防弹材料的变形,而且因为具有一定的扭转角度的tBLG很难被穿透,会对下层的软质防弹材料起到保护作用,使下层的软质防弹材料向周围传递更多能量;同时下层的软质防弹材料对tBLG的变形有阻碍作用,可以减缓锥形波尖端因变形过大产生破裂的进程,使tBLG更不容易破裂。在tBLG和软质防弹材料的协同作用下,更多的冲击能量会传播到冲击点以外区域,产生良好的防弹效果。
[0038]
进一步地,所述扭转双层石墨烯层2的厚度为0.45~0.6nm。由于扭转双层石墨烯层是一层厚度约为0.51nm的薄膜,其中重量和厚度几乎可以忽略不记,其对原有材料的面密度等性能几乎不会有影响,在保证防弹效果的前提下,可以减少其他部分的材料,从而使防弹衣的重量和厚度大大减小,有利于提高防弹衣的舒适性。
[0039]
进一步地,所述软质防弹层1为超高分子量聚乙烯纤维无纬布或芳纶无纬布。进一步地,所述软质防弹层1的厚度为20mm~30mm。超高分子量聚乙烯纤维无纬布(UHMWPE)采用的是超高分子量聚乙烯纤维,芳纶无纬布采用的是芳纶纤维,都具有较高的抗冲击性等优点,子弹打在软质防弹层1上时,子弹冲击能在软质防弹层1中的扩散;本实施的软质防弹层1可以采用超高分子量聚乙烯纤维无纬布或芳纶无纬布来制备,用作防弹衣贴身的一侧,在提高防弹效果的同时提高穿着舒适度。
[0040]
不同扭转角度的tBLG与传统的防弹材料的力学性能对比如表1所示。从表1可以看出,tBLG的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率均比传统的对位芳纶、间位芳纶、UHMWPE等更适合作防弹材料。
[0041]
表1相关材料的力学性能比较
[0042]
[0043]
如图2所示,本实施例还提供一种防弹复合材料,包括软质防弹层1、扭转双层石墨烯层2和硬质防弹层3,所述软质防弹层1的迎弹面一侧设有所述扭转双层石墨烯层2,所述扭转双层石墨烯层2的迎弹面一侧设有硬质防弹层3;所述扭转双层石墨烯层2的两层单层石墨烯之间的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°。本实施例通过在软质防弹层1和硬质防弹层3之间增加具有一定扭转角度的扭转双层石墨烯层2,在tBLG、软质防弹材料和硬质的防弹材料协同作用下,更多的冲击能量会传播到冲击点以外区域,产生良好的防弹效果。
[0044]
更进一步地,所述硬质防弹层3为氧化铝板、合金铝板、碳化硼陶瓷板、碳化硅板、玻璃钢板或陶瓷复合板。更进一步地,所述硬质防弹层3的厚度为10mm~20mm。本实施例中的硬质防弹层3可以采用上述任意一种硬纸板材制备,靠弹体击中硬质防弹层3后,会在硬质防弹层3上形成凹陷或者破裂,扩散弹 头集中而来的冲击力,提高防弹效果。
[0045]
本发明还提供一种防弹衣,所述防弹衣是采用上述防弹复合材料制备而成。本实施例通过在防弹衣的软质防弹层表面覆盖具有一定扭转角度的扭转双层石墨烯,使防弹衣中的防弹性能得到极大提升。
[0046]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求书

[权利要求 1]
一种防弹复合材料,其特征在于:包括软质防弹层和扭转双层石墨烯层,所述扭转双层石墨烯层设置于所述软质防弹层的迎弹面一侧,所述扭转双层石墨烯层的两层单层石墨烯之间的扭转角度为4.44~10.20°或15.31~28.35°。
[权利要求 2]
如权利要求1所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述扭转双层石墨烯层的两层单层石墨烯之间的扭转角度为7.34°或18.73~25.04°。
[权利要求 3]
如权利要求1所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述扭转双层石墨烯层的厚度为0.45~0.6nm。
[权利要求 4]
如权利要求1所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述软质防弹层为超高分子量聚乙烯纤维无纬布或芳纶无纬布。
[权利要求 5]
如权利要求1所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述软质防弹层的厚度为20mm~30mm。
[权利要求 6]
如权利要求1所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述扭转双层石墨烯层的迎弹面一侧设有硬质防弹层。
[权利要求 7]
如权利要求6所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述硬质防弹层为氧化铝板、合金铝板、碳化硼陶瓷板、碳化硅板、玻璃钢板或陶瓷复合板。
[权利要求 8]
如权利要求6所述的一种防弹复合材料,其特征在于:所述硬质防弹层的厚度为10mm~20mm。
[权利要求 9]
一种防弹衣,其特征在于:所述防弹衣是采用如权利要求1-9任一项所述的防弹复合材料制备而成。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]  
[ 图 10]