混雜防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及彈道機理分析

柴曉明，肖　露，程建芳，張華鵬,b

(浙江理工大學(xué) a.材料與紡織學(xué)院; b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

混雜防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及彈道機理分析

柴曉明a，肖露a，程建芳a，張華鵬a,b

(浙江理工大學(xué) a.材料與紡織學(xué)院; b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

根據(jù)芳綸纖維、高強玻璃纖維和碳纖維力學(xué)性能的各向異性和靶板破壞特征，制備單一組份織物及混雜增強復(fù)合材料，同時以靶板對彈體的動能吸收能力為研究對象，對復(fù)合材料中樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和織物鋪層順序進(jìn)行實驗研究及優(yōu)化，以提高其防彈性能.研究表明：在復(fù)合材料靶板面密度接近情況下，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右，復(fù)合材料的彈道性能最佳；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，抗壓和抗剪切性能好的無機纖維織物放置在著彈面，抗拉性能好的有機纖維織物放置在背彈面，這種混雜復(fù)合材料的防彈性能高于單一織物增強復(fù)合材料；當(dāng)混雜復(fù)合材料從著彈面到背彈面按照碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維織物的順序鋪層時，得到的靶板具有更佳的防彈性能.

混雜復(fù)合材料；樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)；鋪層順序；彈道性能

高性能纖維增強復(fù)合材料具有重量輕、防彈性能強等諸多優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于人體防護(hù)和車輛裝甲[1].為提高復(fù)合材料的防彈性能，研究者們提出許多辦法，其中最有代表性的是混雜法[2].混雜法是依據(jù)靶板受彈體沖擊時著彈面和背彈面破壞動能吸收機理的不同，分別放置具有相應(yīng)力學(xué)性能的高性能織物與樹脂制作混雜復(fù)合靶板.混雜復(fù)合材料將破壞模式與動能吸收機理相匹配，能最大限度地提高靶板的防彈性能.文獻(xiàn)[3]對Kevlar-49和S- 玻璃纖維層內(nèi)(玻璃纖維和芳綸長絲交織成織物)與厚向混雜(玻璃纖維織物在著彈面，芳綸織物在背彈面)復(fù)合材料防彈性能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示混雜方式不同對防彈性能有較大影響.文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)，在芳綸與聚乙烯醇厚向混雜時，聚乙烯醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%的混雜體具有更強的抗彈能力.文獻(xiàn)[5]用試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，證明玻璃纖維在前、芳綸纖維在后的混雜順序可以實現(xiàn)最佳的防彈能力.文獻(xiàn)[6]將芳綸纖維增強復(fù)合材料作為著彈面、聚對苯撐苯并雙口惡唑(PBO)纖維增強復(fù)合材料作為背彈面，采用三段式Hopkinson壓桿裝置來研究混雜復(fù)合材料的防彈性能，發(fā)現(xiàn)兩種材料的質(zhì)量比為0.52時，單位面密度動能吸收最大.文獻(xiàn)[7]將Kevlar-29纖維織物引入玻璃纖維織物增強材料中，發(fā)現(xiàn)混雜后復(fù)合材料的防彈性能提高.文獻(xiàn)[8]對混入芳綸織物后的碳纖維增強復(fù)合材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混入芳綸后的混雜體防彈性能得到了提高.文獻(xiàn)[9]研究了碳纖維/超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維/PBO纖維厚向混雜復(fù)合材料的防彈性能，發(fā)現(xiàn)有機纖維(超高分子量聚乙烯和PBO)在背彈面、無機纖維(碳纖維)在著彈面的混雜增強材料，其動能吸收能力均比單一超高分子量聚乙烯纖維或PBO纖維增強復(fù)合材料的高.文獻(xiàn)[10]研究了E-glass纖維和碳纖維織物增強復(fù)合材料的彈道沖擊性能，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維作為著彈面時靶板的防彈性能最好.文獻(xiàn)[11]對S-2 玻璃纖維和石墨纖維織物增強混雜復(fù)合材料的彈道性能進(jìn)行了測試和數(shù)值分析，同樣發(fā)現(xiàn)不同的鋪層順序?qū)祀s復(fù)合材料的防彈能力影響較大.

上述研究主要采用熱固樹脂與織物混雜制作防彈材料，而同種織物、不同樹脂復(fù)合時，熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有更好的防彈性能[12].本文選用Kevlar 129,S-2玻璃纖維和T300-6K碳纖維3種高性能纖維織物作為增強材料，聚酰胺6熱熔膠膜(PA6)作為基體材料，通過樹脂和織物疊層后熱壓方式制備單一織物、多種織物增強復(fù)合材料，優(yōu)化單一織物增強復(fù)合材料中樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改變不同織物的鋪層順序制作混雜復(fù)合材料，分析不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈道動能吸收機理.

1　試驗部分

1.1試驗材料

聚酰胺6熱熔膠膜，上海遠(yuǎn)智熱熔膠有限公司；Kevlar 129芳綸平紋布，美國杜邦公司；S-2玻璃纖維平紋布，南京玻璃纖維研究設(shè)計院；T300-6K碳纖維平紋布，日本東麗公司.3種織物的規(guī)格參數(shù)如表1所示.

表1　高性能織物參數(shù)Table 1　Specification of high-performance fabrics

1.2防彈復(fù)合材料的制備

防彈復(fù)合材料的制備采用層壓成型工藝，試樣尺寸為170 mm×170 mm.防彈復(fù)合材料的制備工藝流程如圖1所示.本文采用的工藝參數(shù)：成型溫度為115 ℃，成型壓力為7.5 MPa，成型時間為20 min[13].

1.2.1靶板樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)化

本文通過改變膠膜層數(shù)改變樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別設(shè)定兩層織物間的樹脂膜層數(shù)為1，2，3層，并設(shè)置不含樹脂的對比試驗組.按照奇數(shù)層織物經(jīng)紗方向相同、偶數(shù)層織物經(jīng)紗與奇數(shù)層織物經(jīng)紗垂直的方向鋪置(0°/90°鋪層順序)織物，參照圖1所示工藝流程制作相應(yīng)靶板，并進(jìn)行彈道性能測試，研究靶板樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對防彈性能的影響，優(yōu)選防彈性能最佳時的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù).同類試樣制作3塊，計算其彈道性能參數(shù)平均值，靶板的具體規(guī)格參數(shù)如表2所示，其中K，S，C分別表示Kevlar 129、 S-2玻璃纖維、T300-6K碳纖維織物，其下角標(biāo)數(shù)字表示織物層數(shù).由于碳纖維織物面密度約為芳綸纖維織物或玻璃纖維織物的兩倍，其一層織物相當(dāng)于同樣面積大小的兩層玻璃纖維或芳綸纖維織物的質(zhì)量，因此，制作碳纖維織物靶板時，選擇的織物層數(shù)較少.

圖1　層壓成型工藝流程Fig.1　Process of the composite laminating

表2　不同樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的靶板規(guī)格Table 2　Specification of composite laminates with different resin mass fractions

1.2.2混雜復(fù)合材料鋪層順序的優(yōu)化

根據(jù)防彈復(fù)合材料所受橫向沖擊的特點，以及3種不同高性能纖維織物的力學(xué)各向異性特征，織物的鋪層分兩種情況：無機纖維(玻璃纖維或碳纖維)在前作為著彈面，有機纖維(芳綸纖維)在后作為背彈面.以優(yōu)化后的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，采用0°/90° 的鋪層方式，制作不同鋪層順序的混雜復(fù)合材料，進(jìn)行彈道測試，選出防彈性能達(dá)到最優(yōu)時的織物鋪層順序.同類試樣制作3塊，計算其彈道性能參數(shù)平均值.表3列出了不同鋪層順序的混雜復(fù)合材料靶板的主要參數(shù).寫在左邊的織物表示靠近著彈面，右邊的織物表示遠(yuǎn)離著彈面，其下角標(biāo)數(shù)字表示織物層數(shù).

表3　不同鋪層順序的混雜復(fù)合材料靶板的參數(shù)Table 3　Specification of hybrid composite laminates with different lamination sequence

(續(xù)　表)

1.3彈道沖擊侵徹試驗

靶板彈道性能測試采用空氣炮裝置，如圖2所示.其中，1為固定裝置，2為槍管，3為紅外測速屏，4為靶板，5為測速器，6為彈體收集裝置.該裝置通過測試彈體穿透靶板前后的速度，計算彈體動能減少量以衡量靶板的防彈性能，具體測試原理可參照文獻(xiàn)[13]，本文不再贅述.

圖2　彈道沖擊試驗裝置示意圖Fig.2　Sketch of ballistic impact test installation

1.4防彈性能指標(biāo)

1.4.1靶板對彈體的動能吸收

根據(jù)彈體初始速度和剩余速度，采用式(1)計算靶板對彈體的動能吸收.

(1)

其中:E為靶板的動能吸收，J；m=5.8 g為彈體質(zhì)量；vo和vr分別為彈體初始速度和剩余速度,m/s.

1.4.2靶板的彈道極限速度

彈道極限速度是指彈體穿透靶板概率為50%時的彈體平均速度.本文以彈體剩余速度為0時的彈體初始速度作為靶板的彈道極限速度，在得到靶板對彈體的動能吸收值基礎(chǔ)上，通過式(2)近似計算v50[15].

(2)

1.4.3靶板的彈道性能指數(shù)

靶板彈道性能指數(shù)是指單位面密度內(nèi)靶板吸收彈體的動能，是評價靶板防彈性能的重要指標(biāo).本文通過式(3)計算靶板彈道性能指數(shù)B,(J·m2)/kg.

(3)

其中：S為靶板面密度，kg/m2.

2　結(jié)果與分析

2.1靶板樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)化

不同樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)靶板的彈道沖擊結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，隨樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種復(fù)合材料的3項彈道性能指標(biāo)均呈先增加后減小的趨勢，且都在樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右時達(dá)到最優(yōu).由圖3(a)和3(b)可以看出，復(fù)合材料對彈體的動能吸收能力均高于無樹脂疊層織物(樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，主要原因在于樹脂的存在提高了各層織物之間的協(xié)同作用能力和復(fù)合材料的抗彎能力.由圖3(c)可以看出，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大的復(fù)合材料的彈道性能指數(shù)低于樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)小的復(fù)合材料，甚至低于無樹脂疊層織物，這說明復(fù)合材料對彈體的動能吸收能力主要由高性能纖維決定，這與文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果一致.因此，本文選定樹脂層數(shù)為1層，即復(fù)合材料的最佳樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%.

(a) 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與彈道極限速度的關(guān)系

(b) 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與動能吸收的關(guān)系

(c) 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與彈道性能指數(shù)的關(guān)系圖3　含不同樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)混雜復(fù)合材料靶板的彈道沖擊結(jié)果Fig.3　The ballistic impact results of hybrid composite laminates with different resin mass fractions

2.2混雜復(fù)合材料鋪層順序的優(yōu)化

不同鋪層順序混雜復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果如表4所示.由表4可知，采用無機纖維織物在前、有機纖維織物在后的鋪層順序(試樣13，15，17)時，靶板的3項彈道性能指標(biāo)均大于有機纖維織物在前、無機纖維織物在后的鋪層順序(試樣14，16，18)的靶板.原因是防彈復(fù)合材料的彈道沖擊過程為橫向沖擊(沿靶板厚度方向)，在靶板四周固定條件下，著彈面主要是依靠剪切和壓縮破壞吸收動能，背彈面主要是靠拉伸破壞吸收動能.玻璃纖維和碳纖維織物的橫向剪切和壓縮性能較好，但縱向拉伸斷裂應(yīng)變較??；芳綸纖維織物的縱向拉伸斷裂應(yīng)變和斷裂能要優(yōu)于無機纖維織物，但橫向剪切和壓縮性能較差，兩者縱向與橫向的力學(xué)性能各向異性明顯[17-18]，因此，將抗壓、抗剪切能力強但縱向拉伸應(yīng)變小的無機高性能纖維織物放置在著彈面，抗壓、抗剪切能力弱但縱向拉伸應(yīng)變大、拉伸強度高的有機高性能纖維織物放置在背彈面，為較佳的鋪層順序.

表4　不同鋪層順序混雜復(fù)合材料靶板的沖擊結(jié)果Table 4　The ballistic impact results of hybrid composite laminates with different stacking sequence

2.3防彈復(fù)合材料的動能吸收能力分析

采用最佳樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和織物鋪層順序制備單一織物增強和混雜織物增強復(fù)合材料，其彈道沖擊結(jié)果如表5所示.由表5可以看出，就單一纖維織物增強復(fù)合材料而言，3種織物增強復(fù)合材料的防彈性能由強到弱的排列順序：芳綸織物(試樣4)、高強玻璃纖維織物(試樣5)和碳纖維織物(試樣6)增強復(fù)合材料.對比單一織物增強復(fù)合材料和混雜織物增強復(fù)合材料可以看到，部分混雜織物增強復(fù)合材料的防彈性能優(yōu)于前者，尤其是試樣13和15，其v50相對試樣4分別提高了10.31%和3.59%,說明無機纖維在前、有機纖維在后的混雜順序可提高靶板的防彈性能，使不同纖維織物的性能得到充分的發(fā)揮.

表5　復(fù)合材料靶板彈道沖擊結(jié)果Table 5　The ballistic impact results of different composite laminates

分別將玻璃纖維織物、碳纖維織物與芳綸織物混雜，圖4和5分別列出了不同混雜情況下芳綸織物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mK)與v50和B的關(guān)系.由圖4和5可知，隨著芳綸織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(層數(shù))的增加，復(fù)合靶板的防彈性能先增加后降低.試樣13和15的防彈性能與純芳綸織物增強復(fù)合材料相比有了明顯改善，v50分別提高了10.31%和3.60%，彈道性能指數(shù)分別提高了19.46%和14.64%，且采用3種纖維織物按碳纖維織物、玻璃纖維織物、芳綸織物順序復(fù)合的試樣17的防彈性能最優(yōu).

圖4　v50與mK的關(guān)系Fig.4　The relationship between v50 and mK

圖5　B與mK的關(guān)系Fig.5　The relationship between B and mK

2.4靶板破壞吸能機理分析

彈體對復(fù)合材料沖擊過程會產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變波(即沖擊波)，這種波又分為縱波和橫波[19].縱波主要沿纖維軸向傳播，通過基體樹脂及交錯點的相互作用，使更多的纖維起到吸收動能的作用；橫波主要沿靶板厚度方向傳播，使靶板發(fā)生分層而吸收部分動能.圖6列出了各靶板受沖擊后的形貌特征，其中，左圖為著彈面，右圖為背彈面.

(a) 試樣4

(b) 試樣5

(c) 試樣6

(d) 試樣13

(e) 試樣15

(f) 試樣19

(g) 試樣20

(h) 試樣17圖6　不同復(fù)合材料靶板受沖擊后形貌圖Fig.6　Damage morphology of different composite laminates

由圖6可以看出，各復(fù)合材料的破壞特征大致相同：在著彈面，彈體對靶板的損傷僅為與彈體直徑差不多大小的孔洞，即主要集中在彈體與靶板的接觸區(qū)域；彈丸接觸靶板后產(chǎn)生的應(yīng)力波沿著織物中紗線軸向傳播，使損傷孔洞周圍沿經(jīng)紗和緯紗方向隱約出現(xiàn)“+”形的突起.這說明彈體對靶板主要是局部損傷[20].

同一靶板的著彈面和背彈面的破壞特征差異較大，原因是產(chǎn)生的沖擊波在傳播過程中，遇到經(jīng)、緯紗交叉點或織物和樹脂交界面時分成透射波和反射波，透射波使更多的織物參與吸收動能，反射波又進(jìn)一步損傷織物和樹脂.由于彈體速度比較快，著彈面幾層織物達(dá)到破壞時的橫向位移很小，其紗線受到壓縮和剪切作用較強，在未受到拉伸以前就斷裂而發(fā)生剪切和壓縮破壞，所以纖維的斷裂面較整齊，彈孔幾乎為圓形.隨著彈體侵徹的進(jìn)行，背彈面周圍的紗線受到越來越強的拉伸作用，變形也越來越大，彈體的動能轉(zhuǎn)化成紗線的形變勢能，直至達(dá)到其斷裂能而發(fā)生拉伸斷裂，同時紗線大的變形和橫向位移也使背彈面產(chǎn)生鼓包，所以背彈面有長短不一的纖維拔出.

無機纖維(玻璃纖維和碳纖維)的橫向剪切和壓縮性能較好，而有機纖維(芳綸纖維)具有很高的縱向拉伸力學(xué)性能.混雜復(fù)合材料采用無機纖維在正面、有機纖維在背面的順序，符合靶板著彈面是剪切破壞、背彈面是拉伸破壞的特征及分布特點，從而使高性能纖維織物的性能得到充分發(fā)揮，能最大化地吸收彈體動能，進(jìn)而提高靶板整體防彈性能.

樹脂對復(fù)合材料的性能有一定程度的影響，所含樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系到靶板層間作用力、抗彎曲能力及靶板中紗線之間的滑移能力.樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小或無樹脂時，紗線間束縛力小，彈體作用時容易將紗線擠向四周，與彈體直接作用的紗線減少，從而導(dǎo)致動能吸收能力低，同時靶板極易分層，致使紗線性能得不到完全發(fā)揮，靶板的整體結(jié)構(gòu)性能也相對降低.樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，靶板抗彎曲能力提高，彈體沖擊時纖維剪切和壓縮破壞增加，纖維拉伸破壞作用減少，從而導(dǎo)致復(fù)合材料吸收動能的能力降低，同時由于樹脂為復(fù)合材料中的弱相，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大會導(dǎo)致靶板面密度增加.樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右時，其僅存在于織物之間而不會侵入到紗線內(nèi)部，復(fù)合材料的抗彎曲能力、分層能力和紗線之間摩擦力的大小合理，從而使靶板的動能吸收能力達(dá)到最大.

3　結(jié)　語

(1) 對于熱塑性樹脂基復(fù)合材料，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右時，防彈復(fù)合材料對彈體的動能吸收、彈道極限速度和彈道性能指數(shù)達(dá)到最大值，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)太大或太小會使復(fù)合材料的防彈性能下降.

(2) 根據(jù)纖維縱橫向力學(xué)性能的差異，結(jié)合靶板受到彈體橫向沖擊作用時的特征，將抗壓、抗剪切的無機高性能纖維織物放置在著彈面、抗拉的有機高性能纖維織物放置在背彈面，可以提高復(fù)合材料對彈體的動能吸收能力.

(3) 纖維織物增強復(fù)合材料受到彈擊后的各項彈道性能指標(biāo)表明：在相同面密度下，鋪層順序優(yōu)化后的混雜織物增強復(fù)合材料的防彈能力優(yōu)于單一織物增強復(fù)合材料.

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Structural Optimization and Ballistic Mechanism Analysis of Hybrid Bulletproof Composite

CHAIXiao-minga,XIAOLua,CHENGJian-fanga,ZHANGHua-penga,b

(a.College of Materials and Textiles; b.Key Laboratory for Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Based on the mechanical anisotropy of high-performance fibers of aramid,S-glass,carbon fiber,and the failure characteristics of targets,composites reinforced by aramid,S-glass or carbon fiber woven fabrics respectively and hybrid composites reinforced by combination of those fabrics were prepared.To improve the ballistic performance,the projectile energy absorption capability,resin mass fraction and stacking sequence were experimentally studied and optimized.The research results show that at about 20% resin mass fraction,the best ballistic performance can be obtained.After stacking sequence optimization,the hybrid composites with better ballistic performance are those with more shear and compression resistant inorganic carbon or S-glass fabrics lying in the frontal side and more tension resistant organic aramid fabric lying in the distal side of the composite target,even higher ballistic performance can be achieved by hybrid composite reinforced by carbon/S-glass/aramid fabrics where aramid fabric lies in the distal side of the composite target.

hybrid composites; resin mass fraction; stacking sequence; ballistic performance

1671-0444(2015)02-0148-07

2013-11-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51073141)；浙江理工大學(xué)521人才培養(yǎng)計劃資助項目

柴曉明(1987—)，男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向為產(chǎn)業(yè)用紡織品.E-mail: Light198765@163.com

張華鵬(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail：roczhp@163.com

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