芳纶纤维复合材料抗弹性能研究

第35卷第2期2007年2月化　工　新　型　材　料N EW CH EMICAL MA TERIAL S Vol 135No 12・35・作者简介:杨小兵(1976-),男,工程师。

北京理工大学,获学士学位。

1998～2006年于中国兵器工业集团第五三研究所从事国防重点预研课题研究工作,获中国兵器工业部级科技进步二等奖1项,国防科工委科技进步三等奖1项,发表论文5篇。

2006年进入江苏大学攻读硕士学位。

芳纶纤维复合材料抗弹性能研究杨小兵　姜文娟　程晓农(江苏大学材料科学与工程学院,镇江212013)摘　要　叙述了球形弹体对芳纶纤维增强复合材料冲击的研究结果。

对芳纶复合板的抗弹机理进行了研究,并研究了影响芳纶复合材料抗弹性能的主要因素。

结果表明,在等厚条件下,预浸料铺层层数越多,靶板面密度越大;采用热塑性树脂材料为基体,且基体含量较低时,芳纶复合材料会具有更好的抗弹性能。

关键词　芳纶纤维复合材料,抗弹,冲击Study on anti 2bullet properties of aramid f iberreinforced compositesYang Xiaobing Jiang Wenjuan Cheng Xiaonong(School of Material Science and Engineering ,Jiangsu University ,Zhenjiang 212013)Abstract Result on damage of fiber Reinforced composites subjected to high velocity impact was briefly presented.The mechanics of penetration was studied.Main factors which can affect composites ’anti 2bullet properties were elabora 2ted.The result shows when the compsites have more pieces of prepreg in the same width ,a bigger areal density ,and a ma 2trix composed of thermo 2setting resins at lower content ,they will have better anti 2bullet properties.K ey w ords Aramid fiber reinforced composite ,anti 2bullet ,impact 利用高性能纤维复合材料为背板,与装甲钢简单复合后,可以使装甲钢的抗弹性能得到成倍提高[1,2]。

芳纶纤维由于其具有的高拉伸强度、高能量吸收率和阻燃特性,在装甲防护材料中占有重要地位。

预浸料铺层层数、靶板面密度以及基体材料的种类与含量的大小,均是影响芳纶纤维复合材料抗弹性能的重要因素。

笔者就从这三个方面入手,对芳纶纤维复合材料的抗弹性能进行研究。

1　实验部分1.1　主要原材料和设备防弹靶板所用材料见表1。

表1　实验用材料种类规格产地芳纶纤维Twaron2000荷兰A KZO 公司柔性PU 橡胶-自制环氧树脂E51上海树脂厂主要设备仪器:DSC 21缠绕机,哈尔滨玻璃钢研究所生产;YX 2100压力成型机,上海伟力机械厂制造。

1.2　靶板制备纤维在缠绕机上完成预浸料制备。

将预浸料放在模具里,升温至140～170℃,在2～5MPa 压力下,固化成型为复合材料靶板。

1.3　试验方法1.3.1　V 50测试V 50弹道极限速度是评估材料抗弹性能的1个重要指标。

所谓V 50值是指射出的弹体,50%通过靶板时全部弹速的算术平均值,一般取六发弹的速度,其中三发为弹体侵彻靶板未穿的最高速度和三发穿透的最低速度,六发弹速的最大值与最小值之差不>50m/s 。

此外,对于不变形弹体,V 50也可以用下式计算:12mv 2r =12mv 2s -12mv 250(1)v 50=v 2s -v 2r(2)式中,m 为弹体质量,v s 、v r 分别为弹体入靶速度和出靶速度。

1.3.2　面密度和比吸能计算面密度是指在单位面积上物质的质量。

面密度不仅与材料本身的特性有关,还与材料在厚度方向上的尺寸有关。

芳纶层压板的面密度对复合材料的抗弹性能有很大影响,面密度值ρs =质量(m )/面积(S )。

比吸能性是评估材料抗弹性能的一个重要指标。

它是靶板吸收能量与靶板面密度之比,其数值的大小代表着材料抗弹性能的好坏[3]。

比吸能计算公式:Sea =mv 2/2ρs (3)式中:Sea -靶板比吸能;m -入射弹丸质量;v -入射弹丸速度;ρs -靶板面密度。

本试验采用7162mm 53式弹道枪,使用111g 碎片模拟弹进行V 50和比吸能性的测试。

1.4　试验结果与讨论1.4.1　芳纶纤维复合材料抗弹机理芳纶复合板的贯穿机理较为复杂,与弹体直径及靶板的厚度都有关系。

弹体进入一侧弹孔为近似圆形,孔内有整齐的纤维断头。

弹体未穿透靶板时,靶板背面有较大的鼓包,靶板内部出现分层,靶板最外层被撕起一些小窄条;弹体穿透靶板时,弹体射出面有明显弹孔,并有长短不一的纤维抽脱。

撕起和脱落的窄条数量与弹体的冲击速度及弹体质量有关,靶板背面鼓包较小。

根据弹体侵彻复合材料靶板的现象可以看出,弹体穿透靶板过程类似于弹体侵彻多层叠合的纤维织物的过程[4]。

对于直径较小的弹丸,当弹体击中靶板时,靶板表面的纤维首先由于受到剪切力的作用而断裂。

此后由于弹体的冲击作用而在靶板内部产生张力波,并以两个方向向外传播:一是张力波以连续的脉冲沿纤维的轴向传播,受到冲击的纤维与别的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用,使能量在相当大的面积上被吸收;二是张力波沿靶板纵向传播。

张力波在靶板的织物和基体树脂界面及靶板自由面之间产生连续反射,使压应力变为拉应力,当拉应力值大于纤维和基体树脂之间的粘接强度时,导致靶板分层,吸收弹体部分能量。

由于纤维和基体材料应变波速不同,导致纤维从基体材料中“拔脱”,纤维“拔脱”所做的功将吸收弹体的部分能量。

其次,随着弹体更深入侵彻,纤维受到拉伸变形以及靶板局部变形,弹体的动能转化为纤维的弹性势能和靶板局部变形做的切向功。

当纤维的应变大于其极限应变时,则纤维断裂。

纤维断裂后发生原纤化,这种原纤化作用进一步消耗弹体的能量。

如果弹体仍具有多余的动能,则进一步侵彻下一铺层,直至弹体动能完全被消耗。

若靶板较薄,则被弹体穿透。

通过靶板受弹体冲击破坏现象及机理分析可知,Twaron 纤维增强的靶板在弹体冲击时,主要能量吸收形式为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱。

1.4.2　预浸料铺层层数对芳纶复合材料抗弹性能的影响在靶板厚度一定的情况下,预浸料铺层层数对芳纶复合材料的抗弹性能有很大影响。

预浸料铺层层数与预浸料的面密度有关。

预浸料铺层层数对复合材料抗弹性能的影响如图1所示(靶板厚度均为10mm ,靶板面密度1215kg/m 2)。

图1　预浸料铺层层数对芳纶复合材料抗弹性能的影响从图1可以看到,随预浸料铺层层数的增多,芳纶复合材料的抗弹性能逐渐提高。

在受到弹丸冲击时,由于同一弹丸所产生的冲击波的传播速率是一定的,因此在同一时间段内会有较多的纤维参与对弹丸冲击能量的吸收,因而复合材料的抗弹性能也就较高。

在70层以下时,抗弹性能提高较慢,而超过70层以后,随铺层层数的增多,抗弹性能得到明显提高。

1.4.3　面密度对芳纶复合材料抗弹性能的影响面密度与靶板材料本身的特性和厚度方向上的尺寸有关。

对于同种材料在相同工艺下制备的具有相同特性的靶板来说,面密度只与其在厚度方向上的尺寸有关。

面密度对芳纶复合材料抗弹性能的影响如图2中的曲线1所示。

图2　靶板面密度对芳纶纤维复合材料抗弹性能的影响由图2可以看到,随靶板面密度的提高,复合材料抗弹性能也提高,但提高的程度逐渐减缓。

这主要是由于当靶板面密度提高时,厚度增加,弹丸贯穿靶板所需消耗的能量就会增加,复合材料的抗弹性能就较高。

在一定条件下,对于具有相同特性的靶板材料,其比吸能性可以认为是一定值。

令:K =mV 502/(2ρ)(4)有:V 50=2K/m(5)设λ=2K/m ,则有:V 50=λ・ρ1/2(6),其中ρ为面密度。

根据公式⑥计算出的V 50与面密度的理论曲线如图2中的曲线2所示,可以看到,在靶板较厚(面密度较大)的情况下,理论曲线与实际曲线吻合的较好;但当靶板较薄时,实际值比理论值偏低。

1.4.4　基体对芳纶复合材料抗弹性能的影响基体材料的种类和含量对芳纶复合材料的抗弹性能都有很大影响。

表2为不同基体材料的芳纶复合材料在基体含量不同时的抗弹性能试验结果。

表2　基体材料种类与含量对芳纶复合材料抗弹性能的影响基体含量/%面密度/(kg/m 2)V 50/(m/s )比吸能性/(J ・m 2/kg )环氧树脂2012.852311.62512.749110.43512.54589.2柔性PU 橡胶2012.559615.62512.255914.13511.847510.5(下转第42页)图5和表2说明,经过改性蒙脱土插层的乙烯基硅橡胶的力学性能得到了很大的改善,尤其是硅橡胶的压缩永久变形,tan δ值在150～200℃减小,内耗小,提高了改性蒙脱土层间的减阻效应。

图5　蒙脱土对硫化胶拉伸强度的影响表2　乙烯基硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料压缩永久变形性能压缩永久变形乙烯基硅橡胶蒙脱土插层改性蒙脱土插层150℃×24h (压缩率30%)/%452510200℃×24h (压缩率30%)/%603515　注:蒙脱土、改性蒙脱土用量为3份。

3　结　论(1)机械原位共混对乙烯基硅橡胶进行插层,方法简便易行,蒙脱土插层后层间距由1.28nm 扩撑到4190nm 。

(2)改性蒙脱土插层的乙烯基硅橡胶的拉伸强度,比未改性蒙脱土插层的乙烯基硅橡胶提高了22%,比通用型乙烯基硅橡胶提高了85%;压缩永久变形相对未改性蒙脱土插层的乙烯基硅橡胶和通用型乙烯基硅橡胶分别由35%、60%减少为15%。

参考文献[1]　李金辉,陈来,潘健峰等.助剂对二甲基二氯硅烷Wurtz 聚合反应的影响[J ].有机硅材料,2005,(19)2:528.[2]　崔笔江,宋启煌,张小红等.插层技术在纳米复合材料中的应用与进展[J ].广东化工,2002,3:15217.[3]　刘子利,张雪凤,陶杰等.硅溶胶改性膨润土的研究[J ].硅酸盐通报,2005,(24)4:36239.[4]　张琦,吴友平,刘力.粉状填充剂对橡胶复合材料拉断伸长率的影响[J ].橡胶工业,2005,(52)9:4822486.[5]　叶巧明,刘兴奋.CTMAB 插层有机膨润土的结构分析[J ].硅酸盐通报,2004,(23)5:40243收稿日期:2006209218(上接第36页)从表2中可以看到,以热塑性树脂为基体的芳纶复合材料比以热固性树脂为基体的抗弹性能要好。