[发明专利]透明玻璃-陶瓷装甲

说明书

优先权

本申请要求提交于2006年5月31日，发明名称为“透明玻璃-陶瓷装甲”的美国临时申请60/810222的优先权。

政府利益

本发明的一部分是根据DARPA授予的协议No.HR0011-05-C-0127，在美国政府的资助下完成的。

技术领域

本发明涉及可用于弹道防护的透明玻璃-陶瓷装甲。具体地说，本发明涉及提供弹道防护，同时在可见和红外(夜视)电磁光谱范围内透明的玻璃-陶瓷装甲。

背景技术

透明装甲是设计用来提供弹道防护，同时保持光学透明的材料。这类材料可用在战争和非战争情况下(例如，控制暴动)，用于窗(车辆和建筑)、防护面罩、以及设备如传感器的防护罩，以及其它用途。虽然对于各个具体的用途有具体的要求，但是这些要求对于大多数系统或装置是普遍适用的。具体地说，对于透明装甲的主要要求是其不仅能击败特定的威胁，还能经受打击而不破坏包围所述打击的区域内的视线。可能是最优化的其它的要求取决于具体的用途。这些其它要求包括重量、空间效率和成本-性能比。虽然有关透明装甲的许多问题可通过增加装甲的厚度来解决，但是这一解决方案是不理想的，因为这增加了人或车辆必须承载的重量，增加了变形，因而降低了透明度(因为材料的厚度)，并且在车辆中是不实用的(因为空间限制)。

用于弹道防护(透明装甲)的透明材料包括：

(a)聚合物材料，最普通的是聚碳酸酯。这是廉价的材料，可容易地制得，并提供对小碎片良好的防护。它通常用于护目镜、面罩(visor)、防护面罩(face shield)和眼镜“片”。也已经研究了其它塑料如透明尼龙类、丙烯酸酯类和聚氨酯类，但是它们的耐用性(例如，对紫外辐射)和光学性能限制了它们的应用。

(b)常规的玻璃如碱石灰和硼硅酸盐玻璃通常使用漂浮工艺制造。这些材料成本低，但是对于更轻重量、改善的光学性能和弹道性能的增长的需求已经产生了对改进的材料的需求。

(c)结晶材料如氧氮化铝(AlON)、单晶氧化铝(青玉)和尖晶石(MgAl₂O₄)是目前正在考虑的主要材料。

(d)玻璃-陶瓷材料

(i)一种玻璃-陶瓷材料是透明臂(TransArm^TM)，得自阿尔斯通英国有限公司(Alstom UK Ltd.)的焦硅酸锂玻璃-陶瓷。由于其对球形物和小碎片优越的重量效率，透明臂具有增加防护装置如用于爆炸性军火处置的防护面罩的性能的潜力。对这些材料的冲击性能的研究显示，与非晶玻璃相比，所述玻璃-陶瓷具有高的后-失败(post-failure)强度。

(ii)美国专利5,060,553(Jones，1991)描述了基于粘结到吸收能量的、含纤维的背衬层上的玻璃-陶瓷的装甲材料。该专利中所列的玻璃组合物可用来制造玻璃-陶瓷材料，包括硅酸锌锂、铝硅酸锂、铝硅酸锌锂、硅酸镁锂、铝硅酸镁钙、硅酸锌镁、硅酸锌镁钙、铝硅酸锌系统磷酸钙、硅磷酸钙和硅酸钡。虽然对所得的玻璃-陶瓷组合物的透明度没有规定，但是填充纤维的背衬层的使用会使得这些复合物变得不透明。

(iii)美国专利5,496,640(Bolton和Smith，1996)描述了耐火和耐冲击的透明层压物，它包含平行的玻璃-陶瓷片和聚合物片，目的用途是用于能耐受高热和直接的火焰的安全或装甲玻璃。该专利中列举的材料包括市售的玻璃板、浮法玻璃或玻璃片组合物、退火玻璃、钢化玻璃、化学增强的玻璃、耐热(PYREX)玻璃、硼硅酸盐玻璃、含锂玻璃、耐高温玻璃(PYROCERAM)、含锂陶瓷、微晶陶瓷、以及各种聚合物材料。

除了上述材料外，也研究了用于弹道防护的其它材料和方法。美国专利5,045,371(Calkins，1991)描述了具有有预成形的陶瓷材料的颗粒遍布在其中的碱石灰玻璃基质的玻璃复合物装甲。因此，所述陶瓷材料不是就地生长的，因为是玻璃-陶瓷的情况。美国专利2005/0119104A1(Alexander等)描述了基于钙长石(CaAl₂Si₂O₈)玻璃-陶瓷的不透明的(不是透明的)装甲。