一種陶瓷基復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā)

方心靈，高俊，王瑞嶺，吳中偉，姜聯(lián)東

(1.北京雷特新技術(shù)實(shí)業(yè)公司，北京7205信箱 北京 100074；2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京7205信箱 北京 100074)

0 引言

在個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域常見(jiàn)的軟質(zhì)防彈衣是由高性能纖維織物(一般為平紋織物或UD織物)層疊裝在外套夾層內(nèi)制成，用來(lái)防御手槍或微沖發(fā)射的低速(一般低于530 m/s)子彈，通過(guò)纖維的剪切、拉伸阻止彈頭的侵徹；而對(duì)于高速(彈速高于700 m/s)子彈，前者并不能提供有效防護(hù)，需要硬質(zhì)材料，即陶瓷復(fù)合胸插板配合使用，通常是將胸插板加插在軟質(zhì)防彈衣的前面，可以對(duì)高速子彈實(shí)施有效防護(hù)[2][3]。

陶瓷復(fù)合胸插板是由防彈陶瓷與高性能纖維織物背板，通過(guò)特殊膠粘劑進(jìn)行粘結(jié)復(fù)合而成，陶瓷可由小塊陶瓷拼接而成，也可是燒結(jié)成的整塊陶瓷，但后者的缺點(diǎn)是復(fù)合成的胸插板抗多發(fā)打擊能力弱，不能滿足用戶對(duì)抗多發(fā)打擊安全性的需求。

因此，目前市場(chǎng)上主要采用小塊陶瓷拼接的方式與背板粘結(jié)，從防彈機(jī)理上講，陶瓷塊的拼接處是防彈薄弱點(diǎn)，這就要求成型時(shí)，控制陶瓷片之間的間隙，間隙越小防彈性能越好，可見(jiàn)，間隙是檢驗(yàn)所采用生產(chǎn)工藝優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文對(duì)陶瓷復(fù)合胸插板的膠粘劑、初步成型工藝以及壓制工藝進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

陶瓷材料選擇河南濟(jì)源兄弟材料有限責(zé)任公司的氧化鋁陶瓷。

纖維材料選用帝人公司的CT709芳綸。

膠粘劑要具有優(yōu)異的韌性和抗沖擊性能，與芳綸的粘結(jié)性要好，便于自動(dòng)化作業(yè)，工藝簡(jiǎn)單，因此選擇聚烯烴類(lèi)膠粘劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

本文采用刮涂膠方式，將膠粘劑涂覆在PE背板上，與陶瓷進(jìn)行粘接，通過(guò)冷壓固化方式制備N(xiāo)IJ Ⅲ、Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)陶瓷復(fù)合胸插板。

1.3 性能測(cè)試

防彈測(cè)試依據(jù)NIJ-0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》中Ⅲ、Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，陶瓷復(fù)合材料不能穿透，且凹陷數(shù)據(jù)不超過(guò)44 mm[1][6][7][8]。

2 理論依據(jù)

陶瓷在受到?jīng)_擊時(shí)容易破碎，所以不能單獨(dú)作為防彈裝甲材料，要結(jié)合復(fù)合材料背板。而理想的背板既要有足夠的剛性支撐，又要有高效的能量吸收能力。

纖維陶瓷復(fù)合材料主要是依靠陶瓷粉碎和斷裂吸收能量，同時(shí)依靠背板增強(qiáng)陶瓷的防護(hù)能力。其中陶瓷的主要作用是鈍化、侵蝕和破壞槍彈，以及傳遞沖擊載荷。而槍彈侵蝕纖維陶瓷復(fù)合材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生破碎的陶瓷錐，錐形破壞區(qū)中心處的陶瓷基本呈粉末化，周?chē)奶沾蓜t為由徑向及環(huán)向裂紋匯聚形成的碎片。槍彈加速度在第一階段加速度迅速上升，隨著破碎陶瓷錐的形成，加速度下降，因此延緩陶瓷錐形成有利于提高靶板的抗彈性能。而采用防彈性能優(yōu)異的防彈背板，同時(shí)利用優(yōu)良彈性的膠粘劑，可有效延緩陶瓷錐形成[4][5]。

3 結(jié)果與討論

3.1 膠粘劑的研究

膠粘劑的作用是將小塊的陶瓷片與陶瓷片之間、陶瓷片與PE背板之間進(jìn)行粘結(jié)，其粘度、干燥時(shí)間、力學(xué)性能、與材料的粘結(jié)性能直接影響生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的質(zhì)量，因此首先從膠粘劑入手進(jìn)行研究。

本文對(duì)不同主體成分的膠粘劑進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比粘結(jié)強(qiáng)度、干燥速度、膠含量對(duì)與陶瓷粘結(jié)性能的影響，綜合評(píng)定了每種膠粘劑，選取相對(duì)優(yōu)良的膠粘劑，并確定膠含量的最佳值，為壓制工藝的確定做鋪墊。

首先，配置相同用量的膠粘劑，進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試在用量相同的條件下，膠粘劑的干燥速度和與陶瓷粘結(jié)性能的好壞，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同種類(lèi)的膠粘劑強(qiáng)度、干燥速度、與陶瓷粘結(jié)性能

從表1可以看出，聚烯烴類(lèi)(2)和聚氨酯類(lèi)(1)膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度及與陶瓷的粘結(jié)性能優(yōu)異，均為溶劑型膠粘劑，但聚烯烴類(lèi)(2)的干燥速度更快；雖然環(huán)氧類(lèi)膠粘劑的干燥速度也很快，但與陶瓷粘結(jié)后，會(huì)很脆，起不到承接陶瓷的作用。因此，綜合評(píng)定聚烯烴類(lèi)(2)膠粘劑性能最優(yōu)，選擇聚烯烴類(lèi)(2)膠粘劑進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

涂覆不同用量的聚烯烴類(lèi)(2)的膠粘劑，測(cè)試其與陶瓷的粘結(jié)強(qiáng)度，并將不同用量膠粘劑按原工藝進(jìn)行陶瓷復(fù)合胸插板的制作，測(cè)試其防彈性能，通過(guò)對(duì)比子彈的穿透情況，確定膠含量對(duì)陶瓷粘結(jié)性能及防彈性能的影響見(jiàn)表2。

表2 不同膠含量對(duì)防彈性能的影響

從表2可得，當(dāng)膠粘劑的用量為220～240 g時(shí)，子彈停留在背板上，陶瓷復(fù)合胸插板的防彈性能可以通過(guò)檢測(cè)，因此，采用聚烯烴類(lèi)(2)膠粘劑。

3.2 真空工藝的研究

本文將膠粘劑涂覆并粘結(jié)了陶瓷片和PE背板，然后試驗(yàn)了厚度為1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm和3 mm的真空袋，按原工藝流程，進(jìn)行抽真空操作，并在抽真空工藝后，靜壓12 h，檢驗(yàn)陶瓷間的空隙，綜合成本等因素進(jìn)行多方面考慮，最終確定，厚度為2 mm的真空袋，在抽真空后靜壓12 h，陶瓷間縫隙均可控制在0.7 cm以下，能夠滿足防彈的要求。

對(duì)抽真空的次數(shù)及抽真空機(jī)的檔位、抽真空的時(shí)間進(jìn)行多次試驗(yàn)，嘗試縮短操作時(shí)間。表3為幾組有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用一次高檔位抽真空沒(méi)有先進(jìn)行低檔位抽真空再進(jìn)行高檔位抽真空效果好，在兩次抽真空的空隙增加專(zhuān)用夾具、緊固工序，可以大大減小陶瓷間縫隙。在對(duì)真空時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)抽真空時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)陶瓷間縫隙也有很大影響。

表3 抽真空時(shí)間對(duì)陶瓷間縫隙的影響

3.3 壓制工藝的研究

進(jìn)行真空塑封后的插板，進(jìn)行12 h的靜壓，才能夠達(dá)到膠粘劑固化、縫隙寬度固定、產(chǎn)品定型的效果，生產(chǎn)效率不高。因此，本文采用壓機(jī)進(jìn)行壓制，代替靜壓工藝，試驗(yàn)縮短了生產(chǎn)周期，提高了效率。

壓機(jī)進(jìn)行壓制首先遇到的問(wèn)題是壓力的確定，壓力過(guò)大，會(huì)將陶瓷插板中的小陶瓷片之間縫隙加大，甚至將小陶瓷片壓碎；壓力太小，起不到固定陶瓷片的作用。將壓機(jī)的壓力值設(shè)定為5 MPa、10 MPa、15 MPa，試驗(yàn)不同的壓力條件下，陶瓷片的狀態(tài)和陶瓷片之間縫隙的大小，結(jié)論見(jiàn)表4。

表4 不同壓力對(duì)陶瓷復(fù)合胸插板的影響

從表4可得，綜合考慮陶瓷復(fù)合胸插板的狀態(tài)及陶瓷本身性能，確定壓制陶瓷復(fù)合胸插板的壓力為5～10 MPa，但考慮到工人在操作時(shí)，壓機(jī)合模瞬間的沖擊速度不好掌握，最終確定壓力為5 MPa，插板的陶瓷片外觀完好，陶瓷片之間的縫隙達(dá)到產(chǎn)品測(cè)試要求。

而后進(jìn)行壓制時(shí)間和壓制溫度的試驗(yàn)，溫度高，會(huì)促進(jìn)膠粘劑固化，膠粘劑固化過(guò)快，會(huì)使陶瓷片很快定型，無(wú)法發(fā)揮出壓機(jī)的作用，起不到使陶瓷片與PE背板緊密結(jié)合的作用；溫度過(guò)低，膠粘劑固化緩慢，延長(zhǎng)了生產(chǎn)時(shí)間。本文試驗(yàn)了40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃和120 ℃五個(gè)溫度，評(píng)價(jià)每個(gè)溫度下所需的壓制時(shí)間，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 不同壓制溫度下所需的固化時(shí)間

從表5可知，80 ℃和100 ℃的溫度下進(jìn)行壓制，均可以達(dá)到預(yù)期效果，綜合考慮，本文采用80 ℃的溫度進(jìn)行壓制，避免瞬間溫度過(guò)高，造成產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定。

最終確定，壓制溫度為80 ℃，壓制時(shí)間為15 min，并在壓制過(guò)程中，保證壓機(jī)對(duì)陶瓷復(fù)合胸插板緩慢施壓，避免陶瓷在較快施壓時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致陶瓷出現(xiàn)裂縫，影響最終產(chǎn)品的防彈性能。

3.4 防彈性能測(cè)試結(jié)果分析

將制作好的陶瓷復(fù)合胸插板，與24層220 g/m2的芳綸UD布構(gòu)成的軟質(zhì)防彈衣組合，進(jìn)行防彈測(cè)試，試驗(yàn)通過(guò)了NIJ Ⅲ、Ⅳ級(jí)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，并取得檢測(cè)報(bào)告。

表6 Ⅲ級(jí)板、Ⅳ級(jí)板的防彈檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表6可知，制備的陶瓷復(fù)合胸插板通過(guò)NIJ Ⅲ、Ⅳ級(jí)測(cè)試，防彈性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

本文確定了合適的膠粘劑、真空工藝以及壓制工藝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇出了粘結(jié)力好的膠粘劑主體成分，同時(shí)在配方中增加小分子單體以改善主體樹(shù)脂粘度太大、不好涂覆的問(wèn)題，最終選用聚烯烴類(lèi)(2)類(lèi)型膠粘劑。同時(shí)確定了每塊插板膠粘劑用量為220～240 g，固化后質(zhì)量即固含量為150～180 g/塊插板。通過(guò)工藝研究，確定壓制陶瓷復(fù)合胸插板的壓力為5 MPa，并在壓制過(guò)程中，保證壓機(jī)對(duì)陶瓷復(fù)合胸插板緩慢施壓，溫度80 ℃，在15 min內(nèi)完成壓制工作，可為以后防彈陶瓷復(fù)合材料的研制提供參考。