熱壓工藝參數(shù)對(duì)透明裝甲層合件的性能影響研究

張莎莎 鄭國(guó)朋 孫皓天 李 進(jìn) 劉家希

（1、中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000 2、中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

透明裝甲同時(shí)具有光學(xué)透過(guò)性與防彈道沖擊性能，主要應(yīng)用于有防護(hù)需求的各種窗口與觀察瞄準(zhǔn)部位，例如軍用飛機(jī)的風(fēng)擋、裝甲車輛的視窗等[1]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前透明裝甲一般由面板、中間層、背板三個(gè)功能層。當(dāng)透明裝甲受到?jīng)_擊時(shí)，首先通過(guò)高硬度、高強(qiáng)度的面板破裂來(lái)吸收一部分入射能量，同時(shí)使彈頭鈍化或碎裂，降低其穿透能力，繼而通過(guò)中間層的黏滯作用吸收剩余的能量，背板阻礙產(chǎn)生的碎片穿透裝甲結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防護(hù)的目的[2]。

與傳統(tǒng)裝甲不同，透明裝甲使用對(duì)可只能見(jiàn)光透明的材料制成。而一般透明材料普遍呈脆性、性能偏低，且類型和可選的牌號(hào)有限。因此，在同等的防護(hù)要求下，透明裝甲的面密度通常為不透明裝甲的3-4 倍。由于高性能透明陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、寬透過(guò)性等的特性，成為了透明裝甲的理想選擇[3-4]。與一般風(fēng)擋兩層同質(zhì)材料層合相比，防彈風(fēng)擋為四層以上特性差異較大的材料（透明陶瓷、無(wú)機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯等）使用多種膠片粘接的層合結(jié)構(gòu)。

多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料尤其是有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)存在數(shù)量級(jí)的差距[5]，該差異可能導(dǎo)致層合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)熱壓復(fù)合工藝后將各層尺寸收縮差異表現(xiàn)為制件的整體翹曲變形并引入層間殘余熱應(yīng)力，從而降低層合結(jié)構(gòu)使用壽命。熱壓工藝參數(shù)（熱壓溫度、壓力等）也會(huì)影響層合件的光學(xué)性能。

本文主要開(kāi)展熱壓工藝參數(shù)對(duì)透明裝甲層合結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定性和光學(xué)質(zhì)量等性能影響的研究，通過(guò)優(yōu)化迭代，獲得優(yōu)化后的熱壓工藝參數(shù)，為后續(xù)熱壓工裝設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)的原材料為8mm 厚的藍(lán)寶石單晶、1.8mm 厚的無(wú)機(jī)玻璃、8mm 厚的無(wú)機(jī)玻璃、3mm 厚的聚碳酸酯板材、4mm 厚的聚碳酸脂板材以及1.27mm 厚的聚氨酯膠片。

采用聚氨酯膠片連接多層無(wú)機(jī)玻璃、藍(lán)寶石和聚碳酸酯板材，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)抽真空、外部加壓和加熱的形式使聚氨酯變?yōu)檎沉鲬B(tài)從而將多層材料粘接為復(fù)合材料。

圖1 透明裝甲層合件結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究不同熱壓工藝參數(shù)對(duì)層合結(jié)構(gòu)的影響，熱壓工藝參數(shù)選擇如表1 所示。

表1 透明裝甲層合件熱壓工藝參數(shù)表

采用透光率測(cè)試儀測(cè)試樣品的透光度和霧度，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2410-2008。透光度與霧度測(cè)量數(shù)據(jù)均檢測(cè)4 次后取平均值。

為了驗(yàn)證樣品的形狀穩(wěn)定性，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品邊緣的厚度，樣品邊緣厚度測(cè)試點(diǎn)如圖2 所示。通過(guò)計(jì)算邊緣厚度的平均值與離散性確定樣品的形狀穩(wěn)定性。

圖2 透明裝甲層合樣品邊緣厚度測(cè)試點(diǎn)

由于藍(lán)寶石與無(wú)機(jī)玻璃的比熱容與熱膨脹系數(shù)相差不大，為了研究大尺寸異質(zhì)層合板的形狀穩(wěn)定性，選取大尺寸板材（700mm×500mm）采用2 層8mm 厚無(wú)機(jī)玻璃加1 層4mm 厚聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)，粘結(jié)層是1.27mm厚聚氨酯膠片，成形件外觀如圖3 所示。層合形式與熱壓參數(shù)見(jiàn)表2。隨后，將該層合板置于機(jī)加工精度的檢驗(yàn)臺(tái)面上，通過(guò)塞尺測(cè)量平板與檢驗(yàn)臺(tái)面的最大縫隙來(lái)判斷層合件的變形程度，如圖4 所示。最后，用帶白線黑底的網(wǎng)格板測(cè)試層合板的光畸變。

表2 透明裝甲層合形式及熱壓工藝參數(shù)表

圖3 兩層8mm 厚無(wú)機(jī)玻璃和4mm 聚碳酸酯層合板外觀

圖4 熱壓后樣品變形程度檢驗(yàn)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓溫度對(duì)層合件性能的影響

當(dāng)壓力為1200MPa，保溫時(shí)間為2h 時(shí)，采用不同熱壓溫度層合的樣品光學(xué)性能如表3 所示，對(duì)應(yīng)不同熱壓溫度層合的樣品照片如圖2 所示。當(dāng)熱壓溫度為100℃時(shí)，樣品1 的平均透光率為74.4%，霧度為0.4%。當(dāng)熱壓溫度為120℃時(shí)，樣品2 的平均透光率為75.8%，霧度為0.3%。樣品2 的透光率高于樣品1。當(dāng)熱壓溫度為120℃時(shí)，樣品2 的PC 層外表面已經(jīng)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的輕微的隔離布?jí)汉郏⑽从绊懺O(shè)備測(cè)量的光學(xué)性能。當(dāng)熱壓溫度為140℃時(shí)，樣品3 的平均透光率為75.2%，霧度為15.1%。其樣品的霧度遠(yuǎn)高于100℃和120℃熱壓樣品。從圖5（c）中可以明顯看出，熱壓溫度為140℃時(shí)，PC 層已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的壓痕。

圖5 采用不同熱壓溫度成形的層合樣品

表3 熱壓溫度不同時(shí)樣品的光學(xué)性能表

表4 為熱壓溫度不同時(shí)熱壓樣品邊緣厚度的測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出，當(dāng)熱壓溫度為100℃時(shí)，樣品1邊緣厚度介于33.96mm-34.14mm 之間，平均值為34.05mm，離散系數(shù)0.13%。這說(shuō)明樣品的形狀穩(wěn)定性較好。當(dāng)熱壓溫度為120℃時(shí)，樣品2 邊緣厚度介于33.88mm-34.10mm 之間，平均厚度33.98mm，離散系數(shù)0.17%。而且形狀穩(wěn)定性相對(duì)于樣品1 沒(méi)有明顯的改善。當(dāng)熱壓溫度為140℃時(shí)，樣品3 邊緣厚度介于33.70mm-34.10mm 之間，平均厚度33.93mm，離散系數(shù)0.32%。隨著熱壓溫度的升高，層合板材邊緣厚度的離散系數(shù)增加，不過(guò)均維持在較低水平，形狀穩(wěn)定性較高。

表4 熱壓溫度不同時(shí)樣品邊緣厚度的測(cè)試結(jié)果

綜合以上結(jié)果，采用100-120℃進(jìn)行熱壓，可保證層合板材具有較好光學(xué)性能和形狀穩(wěn)定性。過(guò)高的熱壓溫度會(huì)造成聚碳酸酯層發(fā)生不可逆的變形，影響光學(xué)性能，雖然可以采用工藝用PET 降低這種影響。但是較高的熱壓溫度會(huì)造成聚碳酸酯層和與之相鄰的玻璃層產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此后續(xù)在滿足性能要求的前提下，應(yīng)盡量采用相對(duì)較低的熱壓溫度。

2.2 熱壓壓力對(duì)層合件性能的影響

當(dāng)熱壓溫度為120℃，保溫時(shí)間為2h 時(shí)，采用不同熱壓壓力層合的樣品光學(xué)性能如表5所示。熱壓壓力為800kPa 的樣品4 與熱壓壓力為1200kPa 的樣品2 相比，其透光率略有下降，霧度維持在相似水平。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量了樣品4 的邊緣厚度數(shù)據(jù)。 樣品 4 的厚度介于33.93mm-34.12mm 之間，平均厚度34.02mm，離散系數(shù)為0.19%。相對(duì)于1200kPa 熱壓的樣品2，沒(méi)有明顯區(qū)別。

表5 熱壓壓力不同時(shí)樣品的光學(xué)性能表

綜上所述，熱壓壓力對(duì)于性能整體影響較小，僅一定程度降低了透明裝甲層合件的透光率。

2.3 大尺寸異質(zhì)層合板形狀穩(wěn)定性研究

由于層合裝甲中各層材料之間的熱性能差異較大，可能會(huì)在熱壓層合后層與層之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致層合件變形較大。因此，本研究開(kāi)展了大尺寸異質(zhì)層合板的形狀穩(wěn)定形研究。經(jīng)過(guò)測(cè)量可知，層合樣品5 與檢驗(yàn)臺(tái)面的最大縫隙為0.2mm。測(cè)量該樣品的光學(xué)畸變，水平畸變最大值為1/44.0，垂直畸變最大值為1/36.0。層合樣品6 與檢驗(yàn)臺(tái)面的最大縫隙為0.5mm。通過(guò)光學(xué)畸變測(cè)試，該樣品的水平畸變最大值為1/68.0，垂直畸變最大值為1/46.9。這說(shuō)明熱壓溫度為100℃時(shí)，大尺寸樣品的形狀穩(wěn)定性最好，同時(shí)并未產(chǎn)生明顯影響光學(xué)性能形狀變形。隨著熱壓溫度升高，冷卻后樣品的變形更大，但是該變形并未影響樣品的光學(xué)畸變。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究熱壓工藝參數(shù)對(duì)透明裝甲層合件光學(xué)質(zhì)量以及形狀穩(wěn)定性的影響，得出結(jié)論如下：

3.1 采用100-120℃進(jìn)行熱壓，可保證層合板材具有較好光學(xué)性能和形狀穩(wěn)定性。如果熱壓溫度過(guò)高，會(huì)造成聚碳酸酯層發(fā)生不可逆的變形，影響透明裝甲層合件的光學(xué)性能，導(dǎo)致層合件的霧度升高。

3.2 熱壓壓力對(duì)透明裝甲層合件的性能整體影響較小，僅一定程度降低了透明裝甲層合件的透光率。

3.3 隨著熱壓溫度升高，由于較高的熱壓溫度會(huì)造成聚碳酸脂層與相鄰玻璃層之間產(chǎn)生較大應(yīng)力，使得大尺寸透明裝甲層合件的變形增大，但是光學(xué)畸變變化不大。說(shuō)明該變形并未影響到光學(xué)畸變。