超级军网[转帖]在装甲系统中使用金属泡沫
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/20 10:17:26
在装甲系统中使用金属泡沫
在军用车辆用的一种多层装甲系统中，采用一种金属泡沫材料作吸收冲击能量的元件。在一种典型的装甲配置中，吸收冲击能量的泡沫金属元件夹在高强度冲击面板和背板之间。通常，背板采用变形大的金属，例如钛、铝和钢。此外，背板可由一层或多层金属、陶瓷或聚合物基复合材料组成。高强度抗冲击板可采用陶瓷或金属。吸收冲击能量的元件最好是孔隙率高的闭孔金属泡沫，它有效地容纳弹丸碰撞抗冲击板产生的后向变形能量。在最佳的方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80％的铝泡沫。
1、发明背景
本发明涉及防弹丸碰撞和炸药爆破的装甲系统，即采用泡沫金属作为吸收冲击能量元件的多层装甲系统。随着恐怖暴力活动和军事行动的增加，需要改进抗弹丸冲击或炸药爆破的装甲防护结构。这样的装甲防护结构可构成建筑物的永久结构，增强建筑物，即增强建筑物中的某些房间，以便它们抗攻击。这样的装甲防护结构还可用于军用和民用车辆，例如坦克和大人物的车辆。目前，在一些已知的车辆中使用了一种多层装甲系统。
例如，中型军用车辆用的一种装甲系统的典型粘结结构由抗冲击面板（金属板或陶瓷板）、陶瓷瓦夹层和金属背板组成。在这种装甲结构中，陶瓷瓦使来袭弹丸破碎或变形，金属背板捕捉剩余的弹芯和陶瓷破片，高强度抗冲击板通过前面限定有助于陶瓷瓦抗弹，并在某些情况下可防陶瓷瓦在战场上发生破坏。
当弹丸以一定的速度碰撞装甲时，产生应力波，应力波通过陶瓷瓦。由边界发射回的应力波和随后的应力波相互作用使陶瓷瓦处于拉应力状态，并使其出现显微裂纹。碰撞抗冲击板诱发的应力波使陶瓷瓦产生显微裂纹，削弱了陶瓷瓦，使弹丸侵彻装甲较容易。在陶瓷瓦上覆盖金属抗冲击板的装甲系统设计中，弹丸碰撞金属抗冲击板产生的应力波可超前进入陶瓷瓦，并且在弹丸与陶瓷瓦接触之前使陶瓷瓦发生破坏。因此，需要一种改进的装甲系统，它具有改进的吸收冲击能量的元件，可较好地控制靶后效应，例如背板的变形和崩落。
孔隙百分率高的金属泡沫是一种新型的材料，具有许多工程用途（包括隔声、隔热、轻型结构和吸收能量）所需的特性。尤其是轻型结构和吸收能量这两种用途使用了金属泡沫材料的独特性能，即比较高的比强度和非线性变形特性。某些金属泡沫可有效地容纳高速碰撞目标产生的后向变形能量，因此，它们可用于控制背板变形和崩落。此外，金属泡沫能够缓解碰撞诱发的应力波，因而延迟装甲系统中陶瓷层的破坏。
本发明的一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便提高目标后设备和人员的防护能力。本发明的另一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便控制靶后效应，即高能弹丸碰撞产生的背面变形造成的后果。
2、发明概述
本发明在一个多层装甲系统中采用吸收冲击能量的金属泡沫元件达到了前述目的，并获得了本发明的特色和优势。采用最佳方案的金属泡沫具有闭孔孔隙结构和高百分率孔隙，孔隙的体积百分率最好为50～98％。本发明实际所用的金属泡沫没有限制，可能是铝泡沫、钢泡沫、铅泡沫、锌泡沫、钛泡沫、镍泡沫、合金泡沫或金属基复合材料泡沫 。通过多种已知的工艺方法，例如铸造、粉末冶金、金属沉积和溅射沉积，可以制造金属泡沫。在美国专利US 5151246、US 4973358和US 5181549中，阐述了制造金属泡沫的典型方法。
例如在US 5151246中，介绍了利用金属粉末和少量喷气燃料制造可发泡材料的粉末冶金工艺方法。采用该工艺方法时，首先把商业上可获得的金属粉末与少量发泡剂混合。发泡剂均匀分布于基体材料之后，压实混合物，获得无任何残余开口孔隙的致密半成品。通过随后的金属加工工艺，例如轧制、模锻或挤压，可使发泡的材料形成所需的形状。在金属加工工艺步骤之后，把可发泡的材料加热到接近基体金属的熔点温度。
在加热时，发泡剂分解，释放出的气体迫使致密的材料膨胀成多孔结构。通过调节发泡剂的数量和其它的一些发泡参数，例如温度和加热速率，可控制金属泡沫的密度。例如，铝泡沫的典型密度为0.5～1克/厘米3。调节比重或孔隙率、合金成分、热处理参数和孔隙的形态，可以定制泡沫金属的强度和其它性能。采用较好方案制造的金属泡沫将具有高机械强度。采用传统的技术，例如锯、钻和铣削等方法易于把金属泡沫加工成所需的形状和结构。通过已知的技术，例如粘结、钎焊和焊接，可连接金属泡沫。按照本发明的一些较好方案制造的吸收冲击能量元件是闭孔铝泡沫。按照一种专门叙述的方案制造的吸收冲击能量元件是含80%（体积）孔隙的闭孔铝泡沫。
在本发明的装置方案中，适宜作抗弹丸碰撞和炸药爆破防护结构的多层装甲系统，例如与军用装甲车辆相连接的装甲系统，包含一层或多层吸收冲击能量的金属泡沫元件。多层装甲系统这个术语是指至少包含两块金属板、金属泡沫、陶瓷、塑料和类似材料的已知或开发的防御或防护系统。在本发明中，多层装甲系统包括至少一块抗冲击板，即缓冲板，该板通过粘结或其它方法与吸收冲击能量的金属泡沫元件层保持连接。
抗冲击板这个术语是指高强度金属或陶瓷板，它有一个前端面，最先承受弹丸的碰撞和炸药的爆破。抗冲击板的背面与金属泡沫板或层的一个表面相邻。抗冲击板这个术语在这里是指，在吸收冲击能量元件之前承受碰撞诱发应力波冲击的任何高强度缓冲板。抗冲击板可能是用高强度金属、陶瓷或聚合物基复合材料（例如纤维增强聚合物复合材料）制的平板。按照本发明最佳方案制造的多层装甲系统还包括一块可变形的背板，它通过粘结或其它方法与金属泡沫板或层的另外一个面保持连接。背板是用可变形的金属，例如钛铝或钢，制造的板材。在按照本发明专门叙述的多层装甲系统方案中，吸收冲击能量的泡沫金属层是设置在抗冲击板和背板之间的夹层。这种多层装甲系统结构用于阐述本发明的原理，实际上，多层装甲系统可按照任意顺序设置其它元件。
3.本发明详细介绍
冲击能量吸收元件最好用闭孔金属泡沫制成，选择的金属材料可能是铝、钢、铅、锌、钛、镍、合金或者金属基复合材料。最佳的金属泡沫具有高体积百分率孔隙，一般为50～98%。在本发明的最佳方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80%的闭孔铝泡沫。
在由抗冲击面板、铝泡沫金属夹层和背板组成的典型结构中，孔隙结构大大提高了低密度泡沫铝的刚性/重量比。在变形时，泡沫铝的孔隙结构具有局部压垮孔隙和迅速分散压缩能量的特点，这使泡沫铝具有独特的变形特性以及吸收能量多与刚性/重量比高的性能。
铝泡沫在变形时具有从准弹性区向塑性变形区移动的一般变形特性。泡沫铝的单轴向负荷应力-应变曲线研究表明，曲线被分成线性弹性区、压垮区（应力保持比较平稳）和压缩区。在线性弹性区，弹性部分只有部分是可逆的。在负荷时，铝泡沫试样中已发生少量局部塑性变形。这些少量的塑性变形还使铝泡沫具有机械阻尼作用。在压垮区中，孔隙壁发生弯曲，泡沫被逐步压垮，直至演变到压缩区。压缩区的变形具有高度局限性，通过压缩前端从变形区向非变形区推进而朝前发展。铝对应变速率不敏感，在高应变速率时保持相同的变形特性。
调节泡沫参数，例如合金元素、密度、孔隙尺寸、孔隙的壁厚以及均匀性等，可制造具有最大吸收能量能力的金属泡沫。通过热处理或者加入颗粒或晶须增强物，可提高金属泡沫的模量和在压垮时保持的平稳应力，是增加吸收能量能力的已知其它技术。
金属泡沫能够缓解碰撞抗冲击板诱发的应力波，因而延迟或避免了其下结构层（可能是陶瓷瓦）的破坏，提高了目标后的设备和人员的防护能力。由冲击碰撞产生的变形能量首先压缩金属泡沫层的前面。然后，变形使孔隙壁撕裂或剪切，即产生心部剪切变形，把能量分散到孔隙结构中。因此，变形能量改变方向，并分散到侧向。金属泡沫的这种变形机理减少了传递到靶后的变形能量。碰撞诱发的应力波能量也有效地分散到网状孔隙之中。金属泡沫的高孔隙率有助于吸收冲击波的能量，网状孔隙产生空腔效应，把冲击波的能量散布到网状孔隙之中。
（宋继鑫 供稿）在装甲系统中使用金属泡沫
在军用车辆用的一种多层装甲系统中，采用一种金属泡沫材料作吸收冲击能量的元件。在一种典型的装甲配置中，吸收冲击能量的泡沫金属元件夹在高强度冲击面板和背板之间。通常，背板采用变形大的金属，例如钛、铝和钢。此外，背板可由一层或多层金属、陶瓷或聚合物基复合材料组成。高强度抗冲击板可采用陶瓷或金属。吸收冲击能量的元件最好是孔隙率高的闭孔金属泡沫，它有效地容纳弹丸碰撞抗冲击板产生的后向变形能量。在最佳的方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80％的铝泡沫。
1、发明背景
本发明涉及防弹丸碰撞和炸药爆破的装甲系统，即采用泡沫金属作为吸收冲击能量元件的多层装甲系统。随着恐怖暴力活动和军事行动的增加，需要改进抗弹丸冲击或炸药爆破的装甲防护结构。这样的装甲防护结构可构成建筑物的永久结构，增强建筑物，即增强建筑物中的某些房间，以便它们抗攻击。这样的装甲防护结构还可用于军用和民用车辆，例如坦克和大人物的车辆。目前，在一些已知的车辆中使用了一种多层装甲系统。
例如，中型军用车辆用的一种装甲系统的典型粘结结构由抗冲击面板（金属板或陶瓷板）、陶瓷瓦夹层和金属背板组成。在这种装甲结构中，陶瓷瓦使来袭弹丸破碎或变形，金属背板捕捉剩余的弹芯和陶瓷破片，高强度抗冲击板通过前面限定有助于陶瓷瓦抗弹，并在某些情况下可防陶瓷瓦在战场上发生破坏。
当弹丸以一定的速度碰撞装甲时，产生应力波，应力波通过陶瓷瓦。由边界发射回的应力波和随后的应力波相互作用使陶瓷瓦处于拉应力状态，并使其出现显微裂纹。碰撞抗冲击板诱发的应力波使陶瓷瓦产生显微裂纹，削弱了陶瓷瓦，使弹丸侵彻装甲较容易。在陶瓷瓦上覆盖金属抗冲击板的装甲系统设计中，弹丸碰撞金属抗冲击板产生的应力波可超前进入陶瓷瓦，并且在弹丸与陶瓷瓦接触之前使陶瓷瓦发生破坏。因此，需要一种改进的装甲系统，它具有改进的吸收冲击能量的元件，可较好地控制靶后效应，例如背板的变形和崩落。
孔隙百分率高的金属泡沫是一种新型的材料，具有许多工程用途（包括隔声、隔热、轻型结构和吸收能量）所需的特性。尤其是轻型结构和吸收能量这两种用途使用了金属泡沫材料的独特性能，即比较高的比强度和非线性变形特性。某些金属泡沫可有效地容纳高速碰撞目标产生的后向变形能量，因此，它们可用于控制背板变形和崩落。此外，金属泡沫能够缓解碰撞诱发的应力波，因而延迟装甲系统中陶瓷层的破坏。
本发明的一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便提高目标后设备和人员的防护能力。本发明的另一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便控制靶后效应，即高能弹丸碰撞产生的背面变形造成的后果。
2、发明概述
本发明在一个多层装甲系统中采用吸收冲击能量的金属泡沫元件达到了前述目的，并获得了本发明的特色和优势。采用最佳方案的金属泡沫具有闭孔孔隙结构和高百分率孔隙，孔隙的体积百分率最好为50～98％。本发明实际所用的金属泡沫没有限制，可能是铝泡沫、钢泡沫、铅泡沫、锌泡沫、钛泡沫、镍泡沫、合金泡沫或金属基复合材料泡沫 。通过多种已知的工艺方法，例如铸造、粉末冶金、金属沉积和溅射沉积，可以制造金属泡沫。在美国专利US 5151246、US 4973358和US 5181549中，阐述了制造金属泡沫的典型方法。
例如在US 5151246中，介绍了利用金属粉末和少量喷气燃料制造可发泡材料的粉末冶金工艺方法。采用该工艺方法时，首先把商业上可获得的金属粉末与少量发泡剂混合。发泡剂均匀分布于基体材料之后，压实混合物，获得无任何残余开口孔隙的致密半成品。通过随后的金属加工工艺，例如轧制、模锻或挤压，可使发泡的材料形成所需的形状。在金属加工工艺步骤之后，把可发泡的材料加热到接近基体金属的熔点温度。
在加热时，发泡剂分解，释放出的气体迫使致密的材料膨胀成多孔结构。通过调节发泡剂的数量和其它的一些发泡参数，例如温度和加热速率，可控制金属泡沫的密度。例如，铝泡沫的典型密度为0.5～1克/厘米3。调节比重或孔隙率、合金成分、热处理参数和孔隙的形态，可以定制泡沫金属的强度和其它性能。采用较好方案制造的金属泡沫将具有高机械强度。采用传统的技术，例如锯、钻和铣削等方法易于把金属泡沫加工成所需的形状和结构。通过已知的技术，例如粘结、钎焊和焊接，可连接金属泡沫。按照本发明的一些较好方案制造的吸收冲击能量元件是闭孔铝泡沫。按照一种专门叙述的方案制造的吸收冲击能量元件是含80%（体积）孔隙的闭孔铝泡沫。
在本发明的装置方案中，适宜作抗弹丸碰撞和炸药爆破防护结构的多层装甲系统，例如与军用装甲车辆相连接的装甲系统，包含一层或多层吸收冲击能量的金属泡沫元件。多层装甲系统这个术语是指至少包含两块金属板、金属泡沫、陶瓷、塑料和类似材料的已知或开发的防御或防护系统。在本发明中，多层装甲系统包括至少一块抗冲击板，即缓冲板，该板通过粘结或其它方法与吸收冲击能量的金属泡沫元件层保持连接。
抗冲击板这个术语是指高强度金属或陶瓷板，它有一个前端面，最先承受弹丸的碰撞和炸药的爆破。抗冲击板的背面与金属泡沫板或层的一个表面相邻。抗冲击板这个术语在这里是指，在吸收冲击能量元件之前承受碰撞诱发应力波冲击的任何高强度缓冲板。抗冲击板可能是用高强度金属、陶瓷或聚合物基复合材料（例如纤维增强聚合物复合材料）制的平板。按照本发明最佳方案制造的多层装甲系统还包括一块可变形的背板，它通过粘结或其它方法与金属泡沫板或层的另外一个面保持连接。背板是用可变形的金属，例如钛铝或钢，制造的板材。在按照本发明专门叙述的多层装甲系统方案中，吸收冲击能量的泡沫金属层是设置在抗冲击板和背板之间的夹层。这种多层装甲系统结构用于阐述本发明的原理，实际上，多层装甲系统可按照任意顺序设置其它元件。
3.本发明详细介绍
冲击能量吸收元件最好用闭孔金属泡沫制成，选择的金属材料可能是铝、钢、铅、锌、钛、镍、合金或者金属基复合材料。最佳的金属泡沫具有高体积百分率孔隙，一般为50～98%。在本发明的最佳方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80%的闭孔铝泡沫。
在由抗冲击面板、铝泡沫金属夹层和背板组成的典型结构中，孔隙结构大大提高了低密度泡沫铝的刚性/重量比。在变形时，泡沫铝的孔隙结构具有局部压垮孔隙和迅速分散压缩能量的特点，这使泡沫铝具有独特的变形特性以及吸收能量多与刚性/重量比高的性能。
铝泡沫在变形时具有从准弹性区向塑性变形区移动的一般变形特性。泡沫铝的单轴向负荷应力-应变曲线研究表明，曲线被分成线性弹性区、压垮区（应力保持比较平稳）和压缩区。在线性弹性区，弹性部分只有部分是可逆的。在负荷时，铝泡沫试样中已发生少量局部塑性变形。这些少量的塑性变形还使铝泡沫具有机械阻尼作用。在压垮区中，孔隙壁发生弯曲，泡沫被逐步压垮，直至演变到压缩区。压缩区的变形具有高度局限性，通过压缩前端从变形区向非变形区推进而朝前发展。铝对应变速率不敏感，在高应变速率时保持相同的变形特性。
调节泡沫参数，例如合金元素、密度、孔隙尺寸、孔隙的壁厚以及均匀性等，可制造具有最大吸收能量能力的金属泡沫。通过热处理或者加入颗粒或晶须增强物，可提高金属泡沫的模量和在压垮时保持的平稳应力，是增加吸收能量能力的已知其它技术。
金属泡沫能够缓解碰撞抗冲击板诱发的应力波，因而延迟或避免了其下结构层（可能是陶瓷瓦）的破坏，提高了目标后的设备和人员的防护能力。由冲击碰撞产生的变形能量首先压缩金属泡沫层的前面。然后，变形使孔隙壁撕裂或剪切，即产生心部剪切变形，把能量分散到孔隙结构中。因此，变形能量改变方向，并分散到侧向。金属泡沫的这种变形机理减少了传递到靶后的变形能量。碰撞诱发的应力波能量也有效地分散到网状孔隙之中。金属泡沫的高孔隙率有助于吸收冲击波的能量，网状孔隙产生空腔效应，把冲击波的能量散布到网状孔隙之中。
（宋继鑫 供稿）
在军用车辆用的一种多层装甲系统中，采用一种金属泡沫材料作吸收冲击能量的元件。在一种典型的装甲配置中，吸收冲击能量的泡沫金属元件夹在高强度冲击面板和背板之间。通常，背板采用变形大的金属，例如钛、铝和钢。此外，背板可由一层或多层金属、陶瓷或聚合物基复合材料组成。高强度抗冲击板可采用陶瓷或金属。吸收冲击能量的元件最好是孔隙率高的闭孔金属泡沫，它有效地容纳弹丸碰撞抗冲击板产生的后向变形能量。在最佳的方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80％的铝泡沫。
1、发明背景
本发明涉及防弹丸碰撞和炸药爆破的装甲系统，即采用泡沫金属作为吸收冲击能量元件的多层装甲系统。随着恐怖暴力活动和军事行动的增加，需要改进抗弹丸冲击或炸药爆破的装甲防护结构。这样的装甲防护结构可构成建筑物的永久结构，增强建筑物，即增强建筑物中的某些房间，以便它们抗攻击。这样的装甲防护结构还可用于军用和民用车辆，例如坦克和大人物的车辆。目前，在一些已知的车辆中使用了一种多层装甲系统。
例如，中型军用车辆用的一种装甲系统的典型粘结结构由抗冲击面板（金属板或陶瓷板）、陶瓷瓦夹层和金属背板组成。在这种装甲结构中，陶瓷瓦使来袭弹丸破碎或变形，金属背板捕捉剩余的弹芯和陶瓷破片，高强度抗冲击板通过前面限定有助于陶瓷瓦抗弹，并在某些情况下可防陶瓷瓦在战场上发生破坏。
当弹丸以一定的速度碰撞装甲时，产生应力波，应力波通过陶瓷瓦。由边界发射回的应力波和随后的应力波相互作用使陶瓷瓦处于拉应力状态，并使其出现显微裂纹。碰撞抗冲击板诱发的应力波使陶瓷瓦产生显微裂纹，削弱了陶瓷瓦，使弹丸侵彻装甲较容易。在陶瓷瓦上覆盖金属抗冲击板的装甲系统设计中，弹丸碰撞金属抗冲击板产生的应力波可超前进入陶瓷瓦，并且在弹丸与陶瓷瓦接触之前使陶瓷瓦发生破坏。因此，需要一种改进的装甲系统，它具有改进的吸收冲击能量的元件，可较好地控制靶后效应，例如背板的变形和崩落。
孔隙百分率高的金属泡沫是一种新型的材料，具有许多工程用途（包括隔声、隔热、轻型结构和吸收能量）所需的特性。尤其是轻型结构和吸收能量这两种用途使用了金属泡沫材料的独特性能，即比较高的比强度和非线性变形特性。某些金属泡沫可有效地容纳高速碰撞目标产生的后向变形能量，因此，它们可用于控制背板变形和崩落。此外，金属泡沫能够缓解碰撞诱发的应力波，因而延迟装甲系统中陶瓷层的破坏。
本发明的一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便提高目标后设备和人员的防护能力。本发明的另一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便控制靶后效应，即高能弹丸碰撞产生的背面变形造成的后果。
2、发明概述
本发明在一个多层装甲系统中采用吸收冲击能量的金属泡沫元件达到了前述目的，并获得了本发明的特色和优势。采用最佳方案的金属泡沫具有闭孔孔隙结构和高百分率孔隙，孔隙的体积百分率最好为50～98％。本发明实际所用的金属泡沫没有限制，可能是铝泡沫、钢泡沫、铅泡沫、锌泡沫、钛泡沫、镍泡沫、合金泡沫或金属基复合材料泡沫 。通过多种已知的工艺方法，例如铸造、粉末冶金、金属沉积和溅射沉积，可以制造金属泡沫。在美国专利US 5151246、US 4973358和US 5181549中，阐述了制造金属泡沫的典型方法。
例如在US 5151246中，介绍了利用金属粉末和少量喷气燃料制造可发泡材料的粉末冶金工艺方法。采用该工艺方法时，首先把商业上可获得的金属粉末与少量发泡剂混合。发泡剂均匀分布于基体材料之后，压实混合物，获得无任何残余开口孔隙的致密半成品。通过随后的金属加工工艺，例如轧制、模锻或挤压，可使发泡的材料形成所需的形状。在金属加工工艺步骤之后，把可发泡的材料加热到接近基体金属的熔点温度。
在加热时，发泡剂分解，释放出的气体迫使致密的材料膨胀成多孔结构。通过调节发泡剂的数量和其它的一些发泡参数，例如温度和加热速率，可控制金属泡沫的密度。例如，铝泡沫的典型密度为0.5～1克/厘米3。调节比重或孔隙率、合金成分、热处理参数和孔隙的形态，可以定制泡沫金属的强度和其它性能。采用较好方案制造的金属泡沫将具有高机械强度。采用传统的技术，例如锯、钻和铣削等方法易于把金属泡沫加工成所需的形状和结构。通过已知的技术，例如粘结、钎焊和焊接，可连接金属泡沫。按照本发明的一些较好方案制造的吸收冲击能量元件是闭孔铝泡沫。按照一种专门叙述的方案制造的吸收冲击能量元件是含80%（体积）孔隙的闭孔铝泡沫。
在本发明的装置方案中，适宜作抗弹丸碰撞和炸药爆破防护结构的多层装甲系统，例如与军用装甲车辆相连接的装甲系统，包含一层或多层吸收冲击能量的金属泡沫元件。多层装甲系统这个术语是指至少包含两块金属板、金属泡沫、陶瓷、塑料和类似材料的已知或开发的防御或防护系统。在本发明中，多层装甲系统包括至少一块抗冲击板，即缓冲板，该板通过粘结或其它方法与吸收冲击能量的金属泡沫元件层保持连接。
抗冲击板这个术语是指高强度金属或陶瓷板，它有一个前端面，最先承受弹丸的碰撞和炸药的爆破。抗冲击板的背面与金属泡沫板或层的一个表面相邻。抗冲击板这个术语在这里是指，在吸收冲击能量元件之前承受碰撞诱发应力波冲击的任何高强度缓冲板。抗冲击板可能是用高强度金属、陶瓷或聚合物基复合材料（例如纤维增强聚合物复合材料）制的平板。按照本发明最佳方案制造的多层装甲系统还包括一块可变形的背板，它通过粘结或其它方法与金属泡沫板或层的另外一个面保持连接。背板是用可变形的金属，例如钛铝或钢，制造的板材。在按照本发明专门叙述的多层装甲系统方案中，吸收冲击能量的泡沫金属层是设置在抗冲击板和背板之间的夹层。这种多层装甲系统结构用于阐述本发明的原理，实际上，多层装甲系统可按照任意顺序设置其它元件。
3.本发明详细介绍
冲击能量吸收元件最好用闭孔金属泡沫制成，选择的金属材料可能是铝、钢、铅、锌、钛、镍、合金或者金属基复合材料。最佳的金属泡沫具有高体积百分率孔隙，一般为50～98%。在本发明的最佳方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80%的闭孔铝泡沫。
在由抗冲击面板、铝泡沫金属夹层和背板组成的典型结构中，孔隙结构大大提高了低密度泡沫铝的刚性/重量比。在变形时，泡沫铝的孔隙结构具有局部压垮孔隙和迅速分散压缩能量的特点，这使泡沫铝具有独特的变形特性以及吸收能量多与刚性/重量比高的性能。
铝泡沫在变形时具有从准弹性区向塑性变形区移动的一般变形特性。泡沫铝的单轴向负荷应力-应变曲线研究表明，曲线被分成线性弹性区、压垮区（应力保持比较平稳）和压缩区。在线性弹性区，弹性部分只有部分是可逆的。在负荷时，铝泡沫试样中已发生少量局部塑性变形。这些少量的塑性变形还使铝泡沫具有机械阻尼作用。在压垮区中，孔隙壁发生弯曲，泡沫被逐步压垮，直至演变到压缩区。压缩区的变形具有高度局限性，通过压缩前端从变形区向非变形区推进而朝前发展。铝对应变速率不敏感，在高应变速率时保持相同的变形特性。
调节泡沫参数，例如合金元素、密度、孔隙尺寸、孔隙的壁厚以及均匀性等，可制造具有最大吸收能量能力的金属泡沫。通过热处理或者加入颗粒或晶须增强物，可提高金属泡沫的模量和在压垮时保持的平稳应力，是增加吸收能量能力的已知其它技术。
金属泡沫能够缓解碰撞抗冲击板诱发的应力波，因而延迟或避免了其下结构层（可能是陶瓷瓦）的破坏，提高了目标后的设备和人员的防护能力。由冲击碰撞产生的变形能量首先压缩金属泡沫层的前面。然后，变形使孔隙壁撕裂或剪切，即产生心部剪切变形，把能量分散到孔隙结构中。因此，变形能量改变方向，并分散到侧向。金属泡沫的这种变形机理减少了传递到靶后的变形能量。碰撞诱发的应力波能量也有效地分散到网状孔隙之中。金属泡沫的高孔隙率有助于吸收冲击波的能量，网状孔隙产生空腔效应，把冲击波的能量散布到网状孔隙之中。
（宋继鑫 供稿）在装甲系统中使用金属泡沫
在军用车辆用的一种多层装甲系统中，采用一种金属泡沫材料作吸收冲击能量的元件。在一种典型的装甲配置中，吸收冲击能量的泡沫金属元件夹在高强度冲击面板和背板之间。通常，背板采用变形大的金属，例如钛、铝和钢。此外，背板可由一层或多层金属、陶瓷或聚合物基复合材料组成。高强度抗冲击板可采用陶瓷或金属。吸收冲击能量的元件最好是孔隙率高的闭孔金属泡沫，它有效地容纳弹丸碰撞抗冲击板产生的后向变形能量。在最佳的方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80％的铝泡沫。
1、发明背景
本发明涉及防弹丸碰撞和炸药爆破的装甲系统，即采用泡沫金属作为吸收冲击能量元件的多层装甲系统。随着恐怖暴力活动和军事行动的增加，需要改进抗弹丸冲击或炸药爆破的装甲防护结构。这样的装甲防护结构可构成建筑物的永久结构，增强建筑物，即增强建筑物中的某些房间，以便它们抗攻击。这样的装甲防护结构还可用于军用和民用车辆，例如坦克和大人物的车辆。目前，在一些已知的车辆中使用了一种多层装甲系统。
例如，中型军用车辆用的一种装甲系统的典型粘结结构由抗冲击面板（金属板或陶瓷板）、陶瓷瓦夹层和金属背板组成。在这种装甲结构中，陶瓷瓦使来袭弹丸破碎或变形，金属背板捕捉剩余的弹芯和陶瓷破片，高强度抗冲击板通过前面限定有助于陶瓷瓦抗弹，并在某些情况下可防陶瓷瓦在战场上发生破坏。
当弹丸以一定的速度碰撞装甲时，产生应力波，应力波通过陶瓷瓦。由边界发射回的应力波和随后的应力波相互作用使陶瓷瓦处于拉应力状态，并使其出现显微裂纹。碰撞抗冲击板诱发的应力波使陶瓷瓦产生显微裂纹，削弱了陶瓷瓦，使弹丸侵彻装甲较容易。在陶瓷瓦上覆盖金属抗冲击板的装甲系统设计中，弹丸碰撞金属抗冲击板产生的应力波可超前进入陶瓷瓦，并且在弹丸与陶瓷瓦接触之前使陶瓷瓦发生破坏。因此，需要一种改进的装甲系统，它具有改进的吸收冲击能量的元件，可较好地控制靶后效应，例如背板的变形和崩落。
孔隙百分率高的金属泡沫是一种新型的材料，具有许多工程用途（包括隔声、隔热、轻型结构和吸收能量）所需的特性。尤其是轻型结构和吸收能量这两种用途使用了金属泡沫材料的独特性能，即比较高的比强度和非线性变形特性。某些金属泡沫可有效地容纳高速碰撞目标产生的后向变形能量，因此，它们可用于控制背板变形和崩落。此外，金属泡沫能够缓解碰撞诱发的应力波，因而延迟装甲系统中陶瓷层的破坏。
本发明的一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便提高目标后设备和人员的防护能力。本发明的另一个目的是，提供一种采用吸收冲击能量的金属泡沫元件的装甲系统，以便控制靶后效应，即高能弹丸碰撞产生的背面变形造成的后果。
2、发明概述
本发明在一个多层装甲系统中采用吸收冲击能量的金属泡沫元件达到了前述目的，并获得了本发明的特色和优势。采用最佳方案的金属泡沫具有闭孔孔隙结构和高百分率孔隙，孔隙的体积百分率最好为50～98％。本发明实际所用的金属泡沫没有限制，可能是铝泡沫、钢泡沫、铅泡沫、锌泡沫、钛泡沫、镍泡沫、合金泡沫或金属基复合材料泡沫 。通过多种已知的工艺方法，例如铸造、粉末冶金、金属沉积和溅射沉积，可以制造金属泡沫。在美国专利US 5151246、US 4973358和US 5181549中，阐述了制造金属泡沫的典型方法。
例如在US 5151246中，介绍了利用金属粉末和少量喷气燃料制造可发泡材料的粉末冶金工艺方法。采用该工艺方法时，首先把商业上可获得的金属粉末与少量发泡剂混合。发泡剂均匀分布于基体材料之后，压实混合物，获得无任何残余开口孔隙的致密半成品。通过随后的金属加工工艺，例如轧制、模锻或挤压，可使发泡的材料形成所需的形状。在金属加工工艺步骤之后，把可发泡的材料加热到接近基体金属的熔点温度。
在加热时，发泡剂分解，释放出的气体迫使致密的材料膨胀成多孔结构。通过调节发泡剂的数量和其它的一些发泡参数，例如温度和加热速率，可控制金属泡沫的密度。例如，铝泡沫的典型密度为0.5～1克/厘米3。调节比重或孔隙率、合金成分、热处理参数和孔隙的形态，可以定制泡沫金属的强度和其它性能。采用较好方案制造的金属泡沫将具有高机械强度。采用传统的技术，例如锯、钻和铣削等方法易于把金属泡沫加工成所需的形状和结构。通过已知的技术，例如粘结、钎焊和焊接，可连接金属泡沫。按照本发明的一些较好方案制造的吸收冲击能量元件是闭孔铝泡沫。按照一种专门叙述的方案制造的吸收冲击能量元件是含80%（体积）孔隙的闭孔铝泡沫。
在本发明的装置方案中，适宜作抗弹丸碰撞和炸药爆破防护结构的多层装甲系统，例如与军用装甲车辆相连接的装甲系统，包含一层或多层吸收冲击能量的金属泡沫元件。多层装甲系统这个术语是指至少包含两块金属板、金属泡沫、陶瓷、塑料和类似材料的已知或开发的防御或防护系统。在本发明中，多层装甲系统包括至少一块抗冲击板，即缓冲板，该板通过粘结或其它方法与吸收冲击能量的金属泡沫元件层保持连接。
抗冲击板这个术语是指高强度金属或陶瓷板，它有一个前端面，最先承受弹丸的碰撞和炸药的爆破。抗冲击板的背面与金属泡沫板或层的一个表面相邻。抗冲击板这个术语在这里是指，在吸收冲击能量元件之前承受碰撞诱发应力波冲击的任何高强度缓冲板。抗冲击板可能是用高强度金属、陶瓷或聚合物基复合材料（例如纤维增强聚合物复合材料）制的平板。按照本发明最佳方案制造的多层装甲系统还包括一块可变形的背板，它通过粘结或其它方法与金属泡沫板或层的另外一个面保持连接。背板是用可变形的金属，例如钛铝或钢，制造的板材。在按照本发明专门叙述的多层装甲系统方案中，吸收冲击能量的泡沫金属层是设置在抗冲击板和背板之间的夹层。这种多层装甲系统结构用于阐述本发明的原理，实际上，多层装甲系统可按照任意顺序设置其它元件。
3.本发明详细介绍
冲击能量吸收元件最好用闭孔金属泡沫制成，选择的金属材料可能是铝、钢、铅、锌、钛、镍、合金或者金属基复合材料。最佳的金属泡沫具有高体积百分率孔隙，一般为50～98%。在本发明的最佳方案中，吸收冲击能量的元件是孔隙体积百分率为80%的闭孔铝泡沫。
在由抗冲击面板、铝泡沫金属夹层和背板组成的典型结构中，孔隙结构大大提高了低密度泡沫铝的刚性/重量比。在变形时，泡沫铝的孔隙结构具有局部压垮孔隙和迅速分散压缩能量的特点，这使泡沫铝具有独特的变形特性以及吸收能量多与刚性/重量比高的性能。
铝泡沫在变形时具有从准弹性区向塑性变形区移动的一般变形特性。泡沫铝的单轴向负荷应力-应变曲线研究表明，曲线被分成线性弹性区、压垮区（应力保持比较平稳）和压缩区。在线性弹性区，弹性部分只有部分是可逆的。在负荷时，铝泡沫试样中已发生少量局部塑性变形。这些少量的塑性变形还使铝泡沫具有机械阻尼作用。在压垮区中，孔隙壁发生弯曲，泡沫被逐步压垮，直至演变到压缩区。压缩区的变形具有高度局限性，通过压缩前端从变形区向非变形区推进而朝前发展。铝对应变速率不敏感，在高应变速率时保持相同的变形特性。
调节泡沫参数，例如合金元素、密度、孔隙尺寸、孔隙的壁厚以及均匀性等，可制造具有最大吸收能量能力的金属泡沫。通过热处理或者加入颗粒或晶须增强物，可提高金属泡沫的模量和在压垮时保持的平稳应力，是增加吸收能量能力的已知其它技术。
金属泡沫能够缓解碰撞抗冲击板诱发的应力波，因而延迟或避免了其下结构层（可能是陶瓷瓦）的破坏，提高了目标后的设备和人员的防护能力。由冲击碰撞产生的变形能量首先压缩金属泡沫层的前面。然后，变形使孔隙壁撕裂或剪切，即产生心部剪切变形，把能量分散到孔隙结构中。因此，变形能量改变方向，并分散到侧向。金属泡沫的这种变形机理减少了传递到靶后的变形能量。碰撞诱发的应力波能量也有效地分散到网状孔隙之中。金属泡沫的高孔隙率有助于吸收冲击波的能量，网状孔隙产生空腔效应，把冲击波的能量散布到网状孔隙之中。
（宋继鑫 供稿）