高性能纖維層疊復(fù)合材料的抗沖擊性能研究

孔春鳳，田　偉,b，翁浦瑩，康凌峰，祝成炎,b

(浙江理工大學(xué)，a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國(guó)家工程技術(shù)研究中心；b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

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高性能纖維層疊復(fù)合材料的抗沖擊性能研究

孔春鳳a，田偉a,b，翁浦瑩a，康凌峰a，祝成炎a,b

(浙江理工大學(xué)，a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國(guó)家工程技術(shù)研究中心；b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

制備碳纖平紋機(jī)織布(T)、芳綸平紋機(jī)織布(K)、玻纖平紋機(jī)織布(G)、高強(qiáng)聚乙烯UD布(U)增強(qiáng)雙酚A環(huán)氧乙烯基酯層疊復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行抗沖擊性能測(cè)試。研究不同種類層疊復(fù)合材料的防彈性能以及防彈機(jī)理。結(jié)果表明：制備的高性能纖維不同層疊復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI值的大小關(guān)系是：UUUU>GUTK>GGKK>TTKK>KKKK>GGGG>TTTT;高性能纖維層疊復(fù)合材料著彈面纖維織物發(fā)生剪切破壞吸收能量，背彈面纖維織物發(fā)生拉伸斷裂吸收能量；高性能纖維層疊復(fù)合材料的著彈面應(yīng)選擇抗剪切性能比較好的無(wú)機(jī)纖維碳纖、玻纖等；背彈面應(yīng)選擇抗拉伸性能較好的有機(jī)纖維芳綸、高強(qiáng)聚乙烯等。

玻璃纖維；碳纖維；芳綸；高強(qiáng)聚乙烯；雙酚A環(huán)氧乙烯基酯；抗沖擊性

0　引　言

高性能纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料是一種將各種高性能纖維(玻纖、碳纖、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯等)作為增強(qiáng)體置于基體材料復(fù)合而成的一類性能特殊、抗彈道沖擊性能優(yōu)異的復(fù)合材料[1-2]。其增強(qiáng)樹(shù)脂主要有熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂、水溶性樹(shù)脂等[3]。防彈復(fù)合材料的主要原理就是利用碳纖維、高強(qiáng)玻纖等抗剪切性能以及芳綸、高強(qiáng)聚乙烯的抗拉伸和伸長(zhǎng)率高的優(yōu)勢(shì)吸收子彈的動(dòng)能，從而達(dá)到防彈的目的。Haiell等[4]研究發(fā)現(xiàn)高性能纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料在彈道沖擊下，復(fù)合材料著彈面幾層纖維發(fā)生壓縮和橫向剪切破壞，背彈面幾層纖維發(fā)生拉伸破壞。Mines等[5]研究了復(fù)合材料在彈道沖擊過(guò)程中能量損耗分配問(wèn)題，認(rèn)為子彈動(dòng)能量損耗的方式主要有貫穿局部復(fù)合材料的吸能、復(fù)合材料的分層過(guò)程吸能、子彈和復(fù)合材料之間的摩擦吸能、復(fù)合材料的變形吸能。

防彈復(fù)合材料向著多元化和功能化方向發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)多層混雜復(fù)合材料的輕質(zhì)、抗沖擊性能好和高性價(jià)比，本文設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探究了不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層疊效應(yīng)，并探究以此為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料在彈道沖擊條件下的能量吸收性能。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：芳綸平紋機(jī)織布(美國(guó)杜邦公司，面密度0.988 kg/m2)、玻璃纖維平紋機(jī)織布(南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，面密度0.936 kg/m2)、碳纖維平紋機(jī)織布(日本東麗公司，面密度2.069 kg/m2)、高強(qiáng)聚乙烯UD布(寧波大成新材料股份有限公司，面密度0.690 kg/m2)；雙酚A環(huán)氧乙烯基酯879樹(shù)脂(上海富晨化工有限公司)，其中固化劑是環(huán)烷酸鈷(上海富晨化工有限公司)，促進(jìn)劑是過(guò)氧化甲乙酮(上海富晨化工有限公司)。

實(shí)驗(yàn)儀器：真空泵(深圳市鼎鑫宜實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，2XZ-4B)、氣控高速發(fā)射裝置(中國(guó)兵工集團(tuán)第53研究所)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Carl Zeiss SMT Pte Ltd，ULTRA55)。

1.2.1層疊復(fù)合材料的制備

選取玻璃纖維平紋機(jī)織布、碳纖維平紋機(jī)織布、芳綸平紋機(jī)織布、高強(qiáng)聚乙烯UD布作為增強(qiáng)材料，雙酚A環(huán)氧乙烯基酯879作為基體，采用真空灌注工藝制備了七種材料體系的層疊復(fù)合材料，層疊復(fù)合材料的尺寸為200×200mm。

層疊復(fù)合材料的制備采用的是真空灌注工藝[6]。其中真空灌注工藝的樹(shù)脂溶液是將雙酚A環(huán)氧乙烯基酯、促進(jìn)劑、固化劑的質(zhì)量比例按照100∶2∶1.5配置。層疊復(fù)合材料的制備工藝流程如圖1所示。其制備的層疊復(fù)合材料的樹(shù)脂含量如表1所示。

圖1　層疊復(fù)合材料的制備工藝流程圖

編號(hào)1234568復(fù)合材料的層疊順序GGGGTTTTKKKKUUUUGGKKTTKKGUTK單位體積復(fù)合材料的樹(shù)脂含量/(g·cm-3)1.731.061.030.241.831.671.60

注：樣品GGGG為4層玻纖平紋復(fù)合材料，樣品TTTT為4層碳纖平紋復(fù)合材料，樣品KKKK為4層芳綸平紋復(fù)合材料，樣品UUUU為4層高強(qiáng)聚乙烯UD布，樣品GGKK為2層玻纖平紋布在前2層芳綸平紋布在后的4層復(fù)合材料，TTKK為2層碳纖平紋布在前，2層芳綸平紋布在后的4層復(fù)合材料，GTUK為各種纖維的4層復(fù)合材料。

1.2.2層疊復(fù)合材料抗沖擊性能測(cè)試

纖維層疊復(fù)合材料的抗沖擊性能測(cè)試以氮?dú)鉃閯?dòng)力，在口徑為7.62mm的53式氣控高速發(fā)射裝置(浙江理工大學(xué))上完成，其設(shè)備原理如圖2所示。

圖2　高速氣控發(fā)射裝置

抗沖擊測(cè)試采用的子彈是鋼制彈體，質(zhì)量為5.6 g，彈體頭部呈圓錐形，錐角為30o[7]。彈體的初速度通過(guò)控制氮?dú)獾膲毫φ{(diào)整，使用紅外大靶面光幕靶測(cè)速系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間從而根據(jù)距離計(jì)算出初速度，彈體的末速度通過(guò)兩個(gè)錫箔紙靶板來(lái)測(cè)試末速度，然后根據(jù)兩個(gè)錫箔紙的距離來(lái)得到末速度的大小。將復(fù)合材料裁剪成175 mm×175 mm，通過(guò)子彈在通過(guò)復(fù)合材料前和通過(guò)復(fù)合材料后的速度計(jì)算出層疊復(fù)合材料吸收子彈的動(dòng)能，然后換算出復(fù)合材料單位面密度吸收能量，進(jìn)而得出復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI和彈道性能指數(shù)V50的值[8]。

2　結(jié)果與討論

2.1層疊復(fù)合材料破壞形貌

如圖3給出了無(wú)機(jī)纖維玻纖、碳纖層疊復(fù)合材料受到?jīng)_擊后著彈面和背彈面的整體照片。

圖3　無(wú)機(jī)纖維層疊復(fù)合材料的破壞形貌

當(dāng)子彈開(kāi)始作用于復(fù)合材料時(shí)，首先子彈壓縮復(fù)合材料使其產(chǎn)生變形，隨著子彈的侵徹，復(fù)合材料的變形越來(lái)越嚴(yán)重，隨后會(huì)使復(fù)合材料的纖維織物與樹(shù)脂脫粘、分層。從圖3中GGGG、TTTT復(fù)合材料的彈孔處纖維的斷裂可以看到，彈孔附近纖維斷裂呈現(xiàn)較小范圍的脆性斷裂，層層之間沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象，復(fù)合材料的背彈面由于纖維與子彈的摩擦和子彈對(duì)纖維的充塞積壓，導(dǎo)致背彈面呈現(xiàn)出纖維的凸起。

圖4給出了有機(jī)纖維芳綸、高強(qiáng)聚乙烯和有機(jī)纖維無(wú)機(jī)纖維混疊的層疊復(fù)合材料受到?jīng)_擊后著彈面和背彈面的整體照片。

圖4　有機(jī)纖維層疊及有機(jī)無(wú)機(jī)混疊復(fù)合材料的破壞形貌

從GUTK復(fù)合材料的彈孔處纖維斷裂可以看出，著彈面出現(xiàn)了沿縱橫方向擴(kuò)展的裂紋，主要是充塞侵徹破壞，擾動(dòng)半徑相對(duì)較?。欢鴱?fù)合材料的背彈面出現(xiàn)了放射狀的裂紋，破壞面積較大，裂紋沿縱橫方向擴(kuò)展較多，復(fù)合材料的纖維織物主要是拉伸斷裂，擾動(dòng)區(qū)半徑較大，有非常明顯的鼓包和分層現(xiàn)象。著彈面彈孔基本為圓形，孔內(nèi)纖維斷頭相對(duì)比較整齊，而背彈面無(wú)明顯的彈孔，而是長(zhǎng)短不一的纖維斷裂抽拔。從GGKK的復(fù)合材料板材的彈道侵徹中可以看到，子彈沖擊之后，復(fù)合材料的沖擊面有大面積的白色區(qū)域，說(shuō)明復(fù)合材料的纖維織物已經(jīng)和樹(shù)脂脫粘，出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，而背彈面是芳綸纖維出現(xiàn)了比較明顯的的抽拔和斷裂。

2.2復(fù)合材料的抗沖擊性能

2.2.1不同種類復(fù)合材料的彈道極限速度V50

彈道極限速度V50是子彈侵徹被測(cè)復(fù)合材料貫穿概率為50%時(shí)的入射速度，即是“臨界穿透速度”[9]。依據(jù)文獻(xiàn)采用近似計(jì)算的方法，彈道極限速度的計(jì)算公式如下:

(1)其中：V0為子彈的初速度；V為子彈的末速度。[10]GGGG、TTTT、KKKK、UUUU、GGKK、TTKK、GUTK復(fù)合材料的測(cè)試三次彈道極限速度V50的平均值，如圖5所示。

圖5　不同復(fù)合材料的彈道極限速度V50

從圖5中可以看出：其中GUTK的V50值最高，其次是GGKK、UUUU，GGGG、TTTT復(fù)合材料彈道沖擊速度V50最小，不同材料混疊的復(fù)合材料的彈道極限速度相對(duì)較大一些，即不同材料混疊能發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，增大了臨界穿透速度。對(duì)于同種材料的混疊復(fù)合材料，彈道極限速度V50的大小是：UUUU>KKKK>TTTT>GGGG，說(shuō)明有機(jī)纖維芳綸、高強(qiáng)聚乙烯混疊復(fù)合材料的彈道極限速度要高于無(wú)機(jī)纖維碳纖維、玻璃纖維混疊復(fù)合材料。

2.2.2不同種類復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI

復(fù)合材料的層合板在受到子彈沖擊后，子彈動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)變成復(fù)合材料的樹(shù)脂和板材的燒蝕，另一部分轉(zhuǎn)變成復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中，復(fù)合材料的纖維斷裂、纖維從樹(shù)脂中拔出，樹(shù)脂破碎以及復(fù)合材料分層的能量[11]。如果在這個(gè)過(guò)程中吸收能量的總和小于子彈的沖擊能量，則復(fù)合板材被穿透，否則復(fù)合材料板材能起到有效的防護(hù)作用。每種復(fù)合材料彈道沖擊三次，圖6所示為彈道性能指數(shù)BPI的平均值。

圖6　不同復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI平均值

從圖6可以看出，七種不同的復(fù)合材料均被子彈擊穿，其中BPI大小的排序依次是UUUU>GUTK>GGKK>TTKK>KKKK>GGGG>TTTT，就單一復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI而言，玻璃纖維復(fù)合材料的BPI略大于碳纖維復(fù)合材料，而芳綸復(fù)合材料的抗沖擊性能的BPI高于芳綸復(fù)合材料。高強(qiáng)聚乙烯UD布復(fù)合材料的BPI最大，為157.135J·m2/kg。在單一玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料中引入芳綸后BPI有很大提升，玻璃纖維引入芳綸后BPI提升了60.30%，碳纖維引入芳綸后BPI提升了62.88%。在此基礎(chǔ)上，將四種增強(qiáng)材料進(jìn)行層層厚度方向的鋪疊，其抗沖擊性能的BPI也會(huì)相應(yīng)提高。GGGG、TTTT屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，其復(fù)合材料在受到彈道沖擊后，在有限層纖維發(fā)生脆性斷裂，復(fù)合材料剪切變形，彈體穿透后,復(fù)合材料仍為一整體,無(wú)明顯分層和脫層現(xiàn)象，由于纖維變形較小,所以其復(fù)合材料吸能不高，其GGGG、TTTT復(fù)合材料的BPI分別為36.207、25.25J·m2/kg。KKKK、UUUU復(fù)合材料是一種新型高科技有機(jī)合成纖維，其復(fù)合材料在受到子彈沖擊后，拉伸形變性能較好，子彈在穿越復(fù)合材料的同時(shí)，使復(fù)合材料產(chǎn)生凸起，變形的復(fù)合材料層間會(huì)發(fā)生分離，復(fù)合材料的這種破壞模式吸收能量較高，其KKKK、UUUU復(fù)合材料的BPI分別為66.096、157.135J·m2/kg。GGKK、TTKK、GTUK的復(fù)合材料無(wú)機(jī)纖維織物在著彈面，有機(jī)纖維在背彈面，當(dāng)子彈作用于復(fù)合材料時(shí)，復(fù)合材料著彈點(diǎn)處受到了剪切力作用，先產(chǎn)生剪切破壞，然后復(fù)合材料是受到子彈的擠壓摩擦產(chǎn)生拉伸變形，隨著復(fù)合材料受到子彈的進(jìn)一步拉伸，復(fù)合材料中的纖維變形超過(guò)了它的斷裂伸長(zhǎng)率而發(fā)生斷裂，從而使復(fù)合材料的背彈面產(chǎn)生一個(gè)鼓包。對(duì)于GGKK、TTKK、GTUK的混疊復(fù)合材料，當(dāng)子彈沿厚度方向穿擊時(shí)，復(fù)合材料的織物層間產(chǎn)生撕裂,使復(fù)合材料產(chǎn)生分層的現(xiàn)象,這一過(guò)程吸收部分沖擊能量。GGKK、TTKK、GTUK的復(fù)合材料的BPI分別為91.21、68.023、120.502J·m2/kg。

2.3層疊復(fù)合材料的彈道吸能機(jī)理

圖7　層疊復(fù)合材料的彈道侵徹彈孔纖維破壞形貌SEM圖

將層疊復(fù)合材料板材的彈孔切開(kāi)，可以看到彈孔處的纖維是沖擊斷裂，而彈孔邊緣處的纖維是彎曲變形或是彎曲折斷。纖維復(fù)合板產(chǎn)生層與層之間脫粘，只是局部分層破壞，越靠近彈孔底部，層疊復(fù)合材料局部發(fā)生彎曲變形、纖維受拉力層間剪切力作用越大，復(fù)合材料分層越明顯。由圖7為層疊復(fù)合材料彈道沖擊破壞形貌SEM圖。其中圖7(a)所示，GGKK層疊復(fù)合材料在受到彈道沖擊過(guò)后著彈面玻璃纖維為脆性剪切破壞，纖維受到子彈很大的擠壓壓縮作用，斷裂面相對(duì)較為整齊；圖7(b)所示，GGKK層疊復(fù)合材料受到彈道沖擊后背彈芳綸纖維受到拉伸作用，一根根纖維分散開(kāi)來(lái)，纖維上面的樹(shù)脂也分裂，纖維產(chǎn)生分叉，發(fā)生韌性斷裂，斷裂面粗糙不整齊。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)不同種類層疊復(fù)合材料的制備與抗沖擊性能的研究可知，高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料具有更好的防彈能力，更具有產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到輕質(zhì)、大幅度提高防彈性能的優(yōu)勢(shì)。碳纖、玻纖、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯不同增強(qiáng)材料的混疊可以大大提高復(fù)合材料的防彈性能，起到協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。綜上所述，在本研究的條件下，可以得出下面結(jié)論：

a)層疊復(fù)合材料的增強(qiáng)材料層與層的混疊作用很大程度上提高了復(fù)合材料的彈道極限速度。其不同層疊復(fù)合材料V50值的關(guān)系是：GUTK>GGKK>UUUU>TTKK>KKKK>TTTT>GGGG。

b)高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的防彈性能明顯優(yōu)于碳纖維、玻纖、芳綸復(fù)合材料。不同增強(qiáng)材料的混雜使其復(fù)合材料的防彈性能有很明顯的提高。其不同層疊復(fù)合材料的抗沖擊性能BPI大小的關(guān)系是：UUUU>GUTK>GGKK>TTKK>KKKK>GGGG>TTTT。

c)層疊復(fù)合材料的復(fù)合材料著彈面應(yīng)選擇抗剪切性能比較好的無(wú)機(jī)纖維碳纖、玻纖等，背彈面應(yīng)選擇抗拉伸性能較好的有機(jī)纖維芳綸、高強(qiáng)聚乙烯等。

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(責(zé)任編輯： 張祖堯)

Impact Resistance of High-Performance Fiber Laminated Composite Materials

KONGChunfenga,TIANWeia,b,WENGPuyinga,KANGLingfenga,ZHUChengyana,b

(a. Modern Textile Processing Technology National Engineering Research Center;b. Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The bisphenol A (BPA) epoxy vinyl ester resins laminated composites reinforced with Carbon plain woven cloth (T), kevlar plain woven cloth (K), glass fiber plain woven cloth (G), high-strength polyethylene UD cloth (U) were prepared. Then, a test for impact resistance of the composites was conducted. The bulletproof performance and mechanism of different laminated composites were studied .As shown in the result, the size relation of impact resistance BPI value of high-performance fiber laminated composites is as follows: UUUU> GUTK> GGKK> TTKK> KKKK> GGGG> TTTT. The fabric on playing surface of the high-performance fiber laminated composite absorbs energy in case of shear failure while the fabric on back playing surface of the high-performance fiber laminated composite absorbs energy in case of tensile fracture. Inorganic fibers such as carbon fiber and glass fiber with good shear resistance shall be selected as reinforcements of playing surface of high-performance fiber laminated composites. Organic fibers such as Kevlar and high-strength polyethylene shall be selected as reinforcements of back playing surface of high-performance fiber laminated composites.

glass fiber; carbon fiber; Kevlar; high-strength polyethylene; bisphenol A epoxy vinyl ester; impact resistance

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.05.008

2015-07-02

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFB51570)；浙江省國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012C24013)；浙江理工大學(xué)學(xué)院科創(chuàng)項(xiàng)目(2015XSKY33)；浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目(11110032481408)

孔春鳳(1990-)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料方面的研究。

田偉，E-mail: tianwei_zstu@126.com

V258

A

1673- 3851 (2016) 03- 0367- 05 引用頁(yè)碼： 050204