一种多层复合防爆抗冲击玻璃及制备工艺的制作方法

本发明涉及特种透明防护材料，尤其涉及一种多层复合防爆抗冲击玻璃及制备工艺。

背景技术：

1、防爆抗冲击玻璃作为透明装甲的核心组成部分，广泛应用于军用装甲车辆观察窗、防暴运兵车侧窗、舰船驾驶舱窗户以及重点建筑的防爆屏障等领域，在弹道冲击或爆炸飞溅物撞击条件下，防护玻璃不仅需要阻止弹体贯穿，还必须确保背弹面不产生高速飞溅碎片以保护后方人员的面部、颈部及眼部。

2、当弹体或高速破片撞击玻璃迎爆面时，会向材料内部传播压缩应力波，该压缩波沿厚度方向传递至背弹面即自由面后发生反射，转变为拉伸应力波并反向向材料内部传播，正是这道反射拉伸波在背弹面附近造成拉伸破坏，引发层裂现象，使玻璃表层呈环形或扇形剥落，形成大量具有极高初始速度的尖锐碎片。其中，高速冲击下玻璃的层裂现象源于压缩应力波传播至背弹面，即自由面后反射形成的拉伸波，该拉伸波虽峰值应力通常仅为压缩波的20%-30%，但玻璃抗拉强度往往仅为抗压强度的1/15左右，例如钠钙玻璃抗压强度约800 mpa而抗拉强度仅约50 mpa，反射拉伸波足以使背弹面产生环形或扇形剥落坑，剥落碎片容易飞溅。现行军用标准如gjb 59.18仅考核整体穿透与否，而未对层裂碎片质量设定指标，致使大量市售产品在层裂防护方面存在隐性缺陷。

3、针对背弹面层裂问题，现有技术主要采取在背弹面粘贴高阻抗金属板或高模量纤维布等材料进行物理阻挡，试图借助高阻抗层的反射作用将应力波能量回传并拦截碎片，然而依据应力波在界面处的透反射理论，压缩波从玻璃向高阻抗介质传播时反射波仍为压缩波，同时高阻抗背衬改变了自由面边界条件，使反射拉伸波幅值因阻抗差异而增大，反而产生更强的拔出效应，实际测试中往往使剥落坑扩大且碎片质量增加。另一类技术在玻璃基体内部加工孔洞或凹坑并填充有机聚合物或软金属材料，旨在通过塑性变形吸收冲击能量，但实心填充物仅产生局部增强效果，与玻璃基体的声阻抗差异引入新的界面反射，且软金属在多次冲击后发生不可逆塑性累积导致界面脱粘，聚合物填充物则因声阻抗过低无法有效调控拉伸应力波。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种多层复合防爆抗冲击玻璃及制备工艺。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：第一方面，本发明提供一种多层复合防爆抗冲击玻璃，由迎爆面至背弹面依次包括：化学钢化玻璃层、热塑性聚氨酯层、聚碳酸酯层、离子性中间膜层、背面玻璃层和复合胶层；

3、所述背面玻璃层经微纳加工，其背弹面一侧设置有多个ω形微腔，所述ω形微腔的剖面呈底大口小的倒扣型，所述ω形微腔内填充有锆基非晶合金，所述锆基非晶合金的填充体积占所述ω形微腔容积的65%-75%；

4、所述复合胶层由改性硅橡胶和膨胀石墨复合，所述背面玻璃层和复合胶层之间经硅烷偶联剂底涂层直接交联粘接。

5、本发明一个较佳实施例中，所述ω形微腔的入口直径为35-45μm，腔底直径为48-58μm，深度为28-36μm，孔间距为70-90μm；所述锆基非晶合金的原子比组成为zr50-60cu25-35ni3-8al8-12。

6、本发明一个较佳实施例中，所述化学钢化玻璃层为锂铝硅酸盐化学钢化玻璃，其表面压缩应力≥850mpa，应力层深度≥120μm，厚度为2.5-3.5mm；所述热塑性聚氨酯层的厚度为0.5-1.0mm，邵氏a硬度为80-90；所述聚碳酸酯层的厚度为1.5-2.5mm；所述离子性中间膜层的厚度为1.2-1.8mm；所述背面玻璃层的基材为高铝硅酸盐玻璃，al2o3含量≥18wt%，厚度为3.0-4.0mm；所述改性硅橡胶/膨胀石墨复合胶层厚度为0.3-0.7mm。

7、本发明一个较佳实施例中，所述复合胶层包含端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶、含氢硅油交联剂、铂催化剂、膨胀石墨粉体和甲基硅油，其中所述膨胀石墨粉体的质量占所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的8%-15%，所述甲基硅油的质量占所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的5%-10%。

8、本发明一个较佳实施例中，所述硅烷偶联剂底涂层为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷层，厚度为1-3μm。

9、第二方面，本发明提供一种多层复合防爆抗冲击玻璃的制备工艺，包括以下步骤：

10、s1、提供高铝硅酸盐玻璃基材，清洗干燥，采用飞秒激光在基材的背弹面一侧表面下方进行扫描写入，形成盲孔初形阵列，浸入刻蚀液中，进行各向同性湿法刻蚀扩孔，形成剖面呈ω形的微腔阵列；

11、s2、以刻蚀后的玻璃为阴极，在含锆盐、铜盐、镍盐和铝盐的低共熔溶剂镀液中进行电化学沉积，使锆基合金自底向上填充至所述ω形微腔内，填充体积占微腔容积的65%-75%；

12、s3、将沉积后的玻璃在惰性气氛中，在240-280℃下保温15-30min进行退火处理，随炉冷却，使沉积合金转变为非晶态，得到背面玻璃层；

13、s4、在背面玻璃层的微腔加工面喷涂硅烷偶联剂溶液，烘干形成底涂层，将改性硅橡胶/膨胀石墨复合胶料压延成膜，作为复合胶层；

14、s5、按化学钢化玻璃层、热塑性聚氨酯层、聚碳酸酯层、离子性中间膜层、背面玻璃层和复合胶层的顺序叠放各层材料，其中背面玻璃层的微腔面朝下与复合胶层接触，将叠合体真空处理后，于惰性气体压力介质下加热加压，使各层粘接复合，冷却后卸压取出。

15、本发明一个较佳实施例中，在所述s1的步骤中，所述飞秒激光的波长为780-820nm，脉宽为100-150fs，重复频率为0.5-2khz，单脉冲能量为150-200μj，焦点定位于玻璃表面下方20-30μm处，扫描速率为0.3-0.8mm/s，写入的盲孔直径为25-35μm，孔间距为70-90μm，孔深为25-32μm；

16、所述刻蚀液为含4-6wt%氢氟酸和1-3wt%硝酸的混合水溶液，刻蚀温度为22-27℃，刻蚀时间为40-50s。

17、本发明一个较佳实施例中，在所述s2的步骤中，所述低共熔溶剂镀液由氯化胆碱和乙二醇按摩尔比1:1.5-2.5构成，镀液中各组分的浓度为：zrcl4 0.04-0.08 mol/l、cucl2·2h2o 0.025-0.045 mol/l、nicl2·6h2o 0.003-0.008 mol/l、alcl3·6h2o 0.008-0.015 mol/l，并添加柠檬酸三钠0.01-0.03 mol/l和十二烷基硫酸钠0.3-0.8 g/l

18、电化学沉积采用分步恒流法：第一步以1.0-1.5 a/dm2的电流密度沉积5-10 min，第二步以0.4-0.8 a/dm2的电流密度沉积30-60 min，沉积温度为45-55℃。

19、本发明一个较佳实施例中，在所述s4的步骤中，硅烷偶联剂溶液为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液，浓度为2-4wt%，喷涂厚度为1-3μm，烘干温度为70-90℃，烘干时间为8-12 min；

20、所述改性硅橡胶/膨胀石墨复合胶料的制备方法为：将端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶、含氢硅油交联剂、铂催化剂、甲基硅油与经钛酸酯偶联剂表面改性的膨胀石墨粉体混合均匀，压延成厚度为0.3-0.7mm的薄膜；其中所述含氢硅油添加量为所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的3%-8%，所述铂催化剂添加量为所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的0.1%-0.3%，所述膨胀石墨粉体添加量为所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的8%-15%，所述甲基硅油添加量为所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷基胶质量的5%-10%。

21、本发明一个较佳实施例中，在所述s5的步骤中，所述真空处理的真空度为-0.098mpa至-0.090mpa，保持时间20-40 min；所述加热加压的升温速率为1.0-2.0℃/min，当温度升至70-90℃时开始加压至0.5-0.8mpa，当温度升至110-130℃时加压至0.8-1.2mpa，于110-130℃、0.8-1.2mpa下保压保温90-150 min；所述卸压的条件为：以0.5-1.0℃/min的速率冷却至50-70℃后释放压力。

22、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

23、（1）本发明提供了一种多层复合防爆抗冲击玻璃及制备工艺，通过在背弹面基体上设置剖面呈倒扣形状的ω形微腔，并于腔内填充锆基非晶合金且保留占容积一定比例的空隙，当压缩波到达背弹面时，非晶合金在弹性范围内压缩变形，同时将腔内空气压缩储存弹性势能；当反射拉伸波到达时，被压缩的空气瞬间膨胀对玻璃基体施加反向推力，该推力与拉伸负压相抵消。相较于现有技术采用实心填充物仅增强抗压或高阻抗背衬加剧反射，本发明则利用压缩空气的反弹力直接对抗拉伸波，能够使玻璃基体所承受的净拉应力大幅降低至安全范围，从而阻止层裂裂纹萌生。

24、（2）本发明选用的锆基非晶合金其原子比组成中锆含量占半数以上，配合铜、镍、铝元素，该成分在冲击压缩下表现为完全弹性响应而无塑性耗能，变形可完全恢复，且其声阻抗远高于玻璃基体，非晶合金的高弹性能够确保在多次冲击压缩循环中不产生不可逆形变，微腔内空气的压缩回弹过程得以重复进行。区别于软金属填充物单次冲击即发生塑性累积导致界面脱粘，本发明非晶合金在多次冲击后仍保持完整结构状态，使微腔的储能反推功能在多次打击下持续有效，从而实现防爆玻璃在战场环境下的可重复使用特性。

25、（3）本发明通过在背衬设置膨胀石墨改性的硅橡胶复合胶层，膨胀石墨经表面改性后均匀分散于硅橡胶基体中，其片层尖锐边缘能够提供大量低表面能的空化形核位点，当残余拉伸波透过微腔层进入胶层时，空化泡优先在胶层体相内部生成并溃灭，将拉伸波负压能量转化为硅油组分粘性内摩擦的热能耗散。对比现有技术中拉伸波常导致玻璃与背衬界面直接脱粘，本发明则将破坏能定向引导至胶层体相内部消耗，使玻璃与胶层界面的脱粘面积维持在极小范围内，从而保障复合玻璃整体结构的完整性。

26、（4）本发明通过飞秒激光精确调控加工参数配合湿法刻蚀形成ω形微腔，其底部直径大于入口直径的倒扣结构，能够在电化学沉积非晶合金后形成机械互锁锚定，在拉伸波作用时非晶合金无法从腔体脱出，同时精确控制沉积电量使合金填充至微腔容积的特定比例，预留的空隙可以为空气压缩膨胀提供空间，进而使微腔内空气在压缩波阶段高效储能，并在拉伸波阶段定向喷射释放，与背衬胶层的空化耗散形成时序接力，压缩储能、膨胀反推、体相空化三阶段依次作用，使背弹面玻璃基体始终处于压应力或极低拉应力状态，从而有效控制层裂碎片的总质量。