多层结构装甲材料专利申请概况_李芳.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-32-专利分析国内外对具备防弹、防刺、防暴的防弹装甲的需求逐步上升，新型防弹装甲材料的研究日益受到关注。本文将对国际专利分类表 IPC 分类号 F41H5/04 下的多层结构防弹装甲材料专利申请概况进行统计与分析，简要描述该类专利技术近十年国内外的主要申请状况和主要专利技术。多层结构装甲材料的起源、防弹机理1多层结构防弹装甲材料的起源个体防护起源于古代战争，为抵抗长矛、刀剑等伤害发明了盾牌，古时的盾牌大多是采用铁质等单一金属装甲；20世纪 50 到 60 年代出现了铝合金轻质装甲材料，代表着装甲轻量化的发展；从 70 年代开始，国外逐渐采用 SiC、B4C等陶瓷材料与金属、凯夫拉纤维等有机复合材料制备加工成多层结构复合材料，用于防弹装甲，兼具防护、轻质的性能；近年来研究方向开始转向轻质、舒适以及防弹性能更高的多层复合材料以满足装甲减重、穿戴舒适的要求。陶瓷金属复合、陶瓷纤维复合、金属纤维复合和树脂纤维复合等制备的多层复合装甲材料受到越来越多的关注和研究，研究发现多层复合材料的应用能够充分发挥各自材料的性能，从而提高防弹性能。近年来还出现了将剪切增稠液体应用于软质防弹装甲，兼具柔软、穿戴舒适以及高性能防弹的要求。至此开启了复合装甲材料研究的新时代。2多层结构防弹装甲材料的防弹机理相对于单一均质金属防弹材料，多层复合材料的防弹机理在于，由于多层复合材料由不同的介质组成，弹丸产生的冲击波会被不同介质的临界面以及被层层复合结构所消散和吸收从而实现阻隔，弹头的冲击能量通过多层复合结构的消散和吸收，使得冲击波的能量逐渐递减，并最终衰减到零。当选择陶瓷面板作为迎弹面，由于陶瓷面板的高硬度首先抵抗弹丸的高冲击，使得弹头发生变形或者破碎，相应的陶瓷面板产生裂纹并扩展，吸收弹丸大量的冲击动能。通常情况下陶瓷面板不能作为单独的防弹装甲材料直接应用于防弹装甲，需要与背板结合，有了背板的支撑才能充分发挥陶瓷面板优越的防弹性能。背板材料一般选自铝合金、钛合金、纤维复合材料等作为陶瓷面板的刚性支撑体，弹丸经过陶瓷面板吸收了大部分能量之后，再进入铝合金、钛合金、碳纤维复合材料等侵彻刚性背板的过程，通过刚性背板进一步衰减了弹头的冲击能量和速度。另外还可以由芳纶纤维、凯夫拉纤维、高分子量聚乙烯纤维等作为背板的结构支撑，弹丸在行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度多层结构装甲材料专利申请概况李 芳李 芳国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期专利分析侵彻背板后，速度已经有很大程度的下降，其剩余的冲击能量由芳纶纤维、凯夫拉纤维、高分子量聚乙烯纤维等进行消散和吸收，在这些有机复合材料中，一般都具有很多织物层叠加在一起，并由树脂基体粘接在一起，剩余的冲击能量通过叠加的织物层时，冲击波从织物层传递到树脂基体，然后再通过树脂基体后传递到相邻的织物层，从而使得剩余的冲击能量通过织物层进行层层衰减。专利申请的统计与分析1.全球专利申请的统计与分析选择具有同族合并功能的 DWPI 专利数据库进行全球数据分析；选择国内信息较全的 CNABS 专利数据库进行国内数据分析；以下统计数据截止于 2022 年 12 月 31 日。（1）全球专利申请地域分布分析图 1 为世界范围内多层结构防弹装甲材料专利申请量排名。在 DWPI 数据库中，分类号为 F41H 5/04 的专利申请量达 4 262 件。其中，美国（US）的申请量达 2 026 件，其申请数量在世界范围内位居第一；紧随其后的是中国（CN）申请量达 1 181 件，位居第二；其次分别是德国（DE）申请量达 713 件、日本（JP）申请量达 541 件、韩国（KR）申请量达 446 件、英国（GB）申请量达 219 件、法国（FR）申请量达 177 件，剩余其他国家的申请量为 666 件。从图中可以看出世界上多层结构防弹装甲材料专利主要分布在美国、中国。美国位居第一位，可见美国是一个非常重视军事发展的国家。中国的申请量位居第二位，说明近来中国也比较重视多层装甲材料的发展。（2）全球专利申请年度发展分析图 2 为近十年来世界范围内多层结构装甲材料每年公开的专利申请，从图中可以看出从 20032022 年间，每年公开的专利申请基本呈现每年递增的方式，从 20032007 年间，每年递增的专利数量不大，从 2008 年开始呈现剧增的趋势，这就意味着自 2008 年之后，全国范围内对防弹多层结构装甲材料的研究越来越受重视。这与近年来恐怖袭击、局部战乱等事件相关，也与世界稳定局势相关。因此，作为个体防护中的防弹多层装甲材料也越来越受到各国的关注。（3）全球主要专利申请人分析图 3 为世界范围内多层结构防弹装甲材料的主要申请人的申请量情况分析，从图中可以看到美国的杜邦公司的申请量位居世界第一位（92 件）。位居第二位的是美国的霍尼韦尔国际公司，其申请量为 87 件，可见美国杜邦公司和霍尼韦尔国际公司为多层结构防弹装甲材料的主要研发申请人。国内专利申请的统计与分析国内的数据是在 CNABS 专利数据库中，对分类号F41H 5/04 下的专利申请进行的统计，截至 2022 年 12 月31 日在 CNABS 专利数据库中，分类号 F41H 5/04 下的专利申请量为 1 314 件。（1）国内专利申请年度发展分析图 2 世界范围内 20032023 年每年公开的专利申请量图 1 世界范围内多层结构防弹装甲材料申请量排名图 4 为国内多层结构防弹装甲材料每年公开的专利申请变化情况，从图中可以看到我国的每年公开的申请量从2001 到 2007 年每年的申请量基本持平，从 2008 年开始专利申请量急剧增加，从 2008 年到 2022 年基本呈现逐年递增的趋势，这与世界范围内此领域的专利申请量情况基本相同，说明我国也在紧跟世界研究的脚步，对多层结构防弹装甲材料不断地进行研究。（2）国内主要专利申请人分析图 5 为国内多层结构防弹装甲材料主要申请人的专利申请量，从图中可以看到，美国的杜邦公司和霍尼韦尔国际公司等在中国的专利申请仍然占据主要地位，排在前几位的基本是国外公司在中国的专利申请，主要通过国际专利申请PCT 的方式进入中国。国内在此领域的专利申请相对落后，从图中可以看出国内多层结构防弹装甲材料的专利申请主要集中在大学等研究院校以及一些材料研发公司。该领域主要申请人的研发重点结合表 1 可知国外的杜邦公司、霍尼韦尔国际公司、帝斯曼知识产权资产管理有限公司以及帝人芳纶有限公司主要研究方向为用于个体防护、穿戴舒适的柔软防弹材料，主要涉及防弹纤维织物结构、纤维织物的层叠和顺序、纤维聚合物增强等在多层防弹材料中发挥的作用，以及相应的制备工艺。中国的企业和大学则主要侧重硬质防弹装甲的研究，且近年来申请了较多的相关专利，包括陶瓷与金属复合装甲、石墨烯增强轻质高强防护装甲、陶瓷与纤维复合防弹装甲、蜂窝阻尼吸能复合装甲等。中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-34-专利分析表 1 主要申请人的专利研发重点申请人主要研发内容纳幕尔杜邦公司防弹织物，轻型防弹材料，制备方法霍尼韦尔国际公司高性能的纤维聚合物、制备方法帝斯曼知识产权资产管理有限公司树脂基、纤维增强多层防弹板，制备方法帝人芳纶有限公司聚合物纤维复合，高分子量聚乙烯纤维增强衡阳泰豪通信车辆有限公司电磁屏蔽方舱壁板，防穿透方舱壁板浙江立泰复合材料股份有限公司碳化硼陶瓷复合装甲，碳化硼铝、钛金属复合装甲江苏安卡新材料科技有限公司复合防弹板材浙江美盾防护技术有限公司防弹玻璃，陶瓷纤维复合防弹板北京航空航天大学纤维增强的金属/陶瓷复合材料防护板青岛理工大学蜂窝阻尼吸能复合装甲中国航空工业集团公司北京航空材料研究院石墨烯金属复合轻质高强防护装甲山东大学多层纤维复合防弹板西安交通大学双层波纹陶瓷复合结构装甲，金属陶瓷复合装甲中北大学钛、铝封装陶瓷多层装甲际华三五零二职业装有限公司防弹板包覆机该领域主要申请人的相关专利技术（1）软质多层防弹材料的相关专利技术涉及软质多层结构防弹材料的研究主要用于个体防护，例如防弹衣，针对软质多层结构防弹材料研究的公司集中于国外杜邦公司、霍尼韦尔国际公司、帝斯曼知识产权资产管理有限公司以及帝人芳纶有限公司等，主要研究纤维取向、纤维织物与树脂含量以及纤维织物与聚合物之间的粘合力等对防弹性能的影响。研究纤维织物的纱线叠加的取向对防弹性能的影响的专利技术，具有代表性的是杜邦公司其中 2012 年进入中国的一种耐冲击防弹装甲制品（公开号 CN102378681A），发现传统的对位芳族聚酰胺单向防弹装甲结构，即多层纤维层的结构，这些纤维层结构中纤维以基本上单向排列的方式对齐，而不是像传统织造织物那样交织，该专利技术改进了传统防弹装甲中的单向纤维层排列，通过设置在相同层内的纱线以基本平行的方向取向，该方向与临近的基本平行的纱线层的方向斜交，从而提高防弹性能。研究纤维织物与树脂复合的含量等在不影响防弹性能的同时，提高的柔软舒适度的专利技术，具有代表性的是杜邦公司 2018 年进入中国的一种防弹且防刺的复合材料（公开号 CN107580550A），该柔性复合材料包括：（1）包含织物但不包含树脂的第一区，该第一区占该复合材料的总厚度从 10至 90；（2）包含弹性体树脂或热塑性树脂但不包含织物的第三区，该第三区占该复合材料的总厚度从 0 至50；（3）位于该第一区与第三区之间的包含织物和弹性体树脂或热塑性树脂的第二区，该第二区占该复合材料的总厚度从 10至 90。进一步改进了在软体护甲中使用的织图 3 世界范围内主要申请人的申请量图 4 国内从 20032022 年每年的申请量图 5 国内主要申请人的申请量物-树脂复合材料的柔性，而不牺牲针对多种威胁的防护。研究改进纤维织物与聚合物之间的黏合效应对防弹性能的影响的专利技术，具有代表性的是霍尼韦尔国际公司其中2014 年进入中国的一种刚性结构和低背衬凹陷深度的防弹UD/制品和制造方法（公开号 CN103917856A），通过改进纤维表面与聚合物黏结剂之间的黏合，降低纤维与纤维分离以及纤维与聚合物黏结剂层理效应，从而提高纤维上的摩擦力，进而提高射弹与纤维的咬合，进一步耗散射弹的冲击能量，由此得到的多层纤维织物具有提高的动态储能模量、同时保持优异的防弹性质，提高的动态储能模量与低复合材料背衬凹陷深度相关联。（2）硬质多层防弹装甲的相关专利技术国内企业、大学以及研究院所对软质防弹材料的研究较少，主要侧重于对硬质防弹装甲材料的研究，侧重于陶瓷金属复合、陶瓷纤维复合、金属纤维复合、石墨烯颗粒增强的复合材料、以及具备特殊功能的复合材料装甲，并申请了相关专利。陶瓷与金属的复合防弹装甲，具有代表性的是西安交通大学于 2012 年申请了一项专利，一种双层波纹陶瓷复合结-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期专利分析构装甲及其制备方法（公开号 CN102967180A），其技术方案主要是先制备出波纹状的金属板，采用波纹金属板的顶面和底面分别与金属面板焊接，形成从上至下依次为金属面板、波纹金属板、金属面板、波纹金属板和金属面板的多层结构，然后在波纹间隙内放置与其形状对应的陶瓷芯片，最后在陶瓷芯片与金属结构的空隙中充填树脂。最终形成的多层结构复合装甲能够很好地起到抵抗弹丸冲击、改变弹丸冲击方向的作用，充分发挥了陶瓷芯片抵抗弹丸冲击的性能。石墨烯颗粒增强的陶瓷金属复合装甲，具有代表性的是中国航空工业集团公司北京航空材料研究院于 2015年申请了一种轻质装甲防弹板及其制备方法（公开