陳 磊,徐志偉,李嘉祿,張劉飛,陳 利,吳曉青,孫 穎,陳光偉(天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

天津300160;2江陰出入境檢驗(yàn)檢疫局,江蘇江陰214400)

防彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其防彈機(jī)理

陳 磊1,徐志偉1,李嘉祿1,張劉飛2,陳 利1,吳曉青1,孫 穎1,陳光偉1(1天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

天津300160;2江陰出入境檢驗(yàn)檢疫局,江蘇江陰214400)

探討了彈塊與防彈復(fù)合材料的作用機(jī)理,分析彈塊在侵徹過(guò)程中復(fù)合材料吸能方式和破壞模式的變化,提出了防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念。分別研究了單根纖維性能、織物結(jié)構(gòu)、樹(shù)脂性能、基體含量和復(fù)合材料界面粘接強(qiáng)度等因素對(duì)防彈性能的影響,并指出目前存在的不足,以期為今后防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

防彈復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);破壞模式;織物結(jié)構(gòu);界面

20世紀(jì)70年代以來(lái),復(fù)合材料開(kāi)始在防護(hù)過(guò)程中大量使用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)和高沖擊損傷容限等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、人體、車輛以及艦船重要艙室等防護(hù)領(lǐng)域受到了研究人員的青睞,并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1,2]。

子彈與復(fù)合材料作用過(guò)程中發(fā)生侵徹,表現(xiàn)出了多種不同的破壞模式,如纖維的拉伸斷裂、層合板的分層、纖維和樹(shù)脂的脫粘及材料產(chǎn)生的背凸等。彈體動(dòng)能就是在這些破壞中被逐漸消耗,從而達(dá)到了防彈的效果。本文針對(duì)彈道沖擊下子彈與復(fù)合材料的作用機(jī)理和破壞模式展開(kāi)了分析,并根據(jù)子彈與復(fù)合材料在不同階段的作用機(jī)理對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。此外,影響復(fù)合材料防彈性能的因素很多,其中主要包括增強(qiáng)體、基體、界面和梯度結(jié)構(gòu)等因素。對(duì)此,本文探討了包括天然纖維在內(nèi)的纖維種類、織物組織結(jié)構(gòu)、面密度、基體的性能、含量、纖維與樹(shù)脂間界面性能以及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素對(duì)防彈性能的影響。

1 彈體與防彈復(fù)合材料的作用機(jī)理

1.1 應(yīng)力波的傳播機(jī)理

應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動(dòng)的傳播形式,在可變形固體介質(zhì)中機(jī)械擾動(dòng)表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)速度和相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化。在彈道沖擊中,子彈與靶板接觸的瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力波以兩個(gè)方向傳播,一是以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播,受到?jīng)_擊的纖維通過(guò)基體樹(shù)脂及交錯(cuò)點(diǎn)的相互作用,應(yīng)力波在很多纖維上擴(kuò)散開(kāi)來(lái);二是應(yīng)力波的沿靶板縱向傳播,應(yīng)力波在靶板的織物和基體界面及靶板自由面之間產(chǎn)生連續(xù)反射,使壓力變成拉應(yīng)力。

研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)力波在兩種不同的材料中傳播時(shí),當(dāng)傳至兩種材料的界面會(huì)產(chǎn)生入射波和反射波[3],而且應(yīng)力波在產(chǎn)生塑性變形的材料中的傳遞較在彈性變形材料中的傳遞規(guī)則許多[4]。應(yīng)力波在纖維中傳播速度主要取決于纖維的楊氏模量[5]及其在復(fù)合材料中的狀態(tài)。一般,材料的模量越高,質(zhì)量越低,應(yīng)力波傳播的速度越快。關(guān)于纖維形態(tài)對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響,陳利民[6]通過(guò)對(duì) Kevlar-29和尼龍66織物研究,認(rèn)為織物中的纖維若存在交迭點(diǎn)或縐縮會(huì)使應(yīng)力波產(chǎn)生反射,影響應(yīng)力波在其中傳播(如圖1)。表1為應(yīng)力波在幾種自由纖維(皺縮率為0%的纖維)和織物中的傳播速度,從表中可以看出,纖維模量越高,應(yīng)力波的傳播速度就越快,自由纖維傳播應(yīng)力波的能力明顯高于經(jīng)向纖維和緯向纖維。因此,在防彈復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中,需兼顧纖維的力學(xué)性能及纖維在織物中的狀態(tài)。

圖1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊波的傳播形式[7]Fig.1 Model of the stress wave propagation in the fiber reinforced composites[7]

表1 幾種典型防彈纖維中的聲速(×103m/s)[6,7]Table 1 Sound velocity in some typical fibers(×103m/s)

1.2 高速?zèng)_擊下復(fù)合材料吸能方式及破壞模式

防彈復(fù)合材料吸能方式主要包括[8]:纖維的變形、纖維的拉伸斷裂、分層、基體開(kāi)裂、材料的剪切破壞、彈體與復(fù)合材料的摩擦和“背凸”的形成等。吸能較多的為材料的分層、纖維的拉伸斷裂及基體開(kāi)裂,其他方式則相對(duì)較少。其中材料的分層主要取決于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),纖維的斷裂主要取決于纖維強(qiáng)度,而基體的開(kāi)裂主要取決于所選基體的性能。

評(píng)價(jià)靶板防彈性能的國(guó)際通用指標(biāo)是彈道極限速度V50,它是指針對(duì)一定質(zhì)量的彈塊在該速度下(入射方向不變)穿透給定系統(tǒng)靶板的概率為50%[9]。在防彈過(guò)程中,復(fù)合材料的破壞模式有多種,主要有纖維剪切和拉伸破壞,層合板的分層等。當(dāng)彈丸開(kāi)始作用于復(fù)合材料時(shí),由于彈丸產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力,織物產(chǎn)生了變形。隨著子彈的侵徹,材料變形越為嚴(yán)重,緊隨著的是分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)子彈從材料背面穿過(guò)時(shí),背部形成較大的鼓包并伴有原纖化的現(xiàn)象產(chǎn)生,彈體進(jìn)入一側(cè),彈孔基本為圓形,孔內(nèi)呈現(xiàn)整齊的纖維斷頭,而彈體射出面無(wú)明顯彈孔,有長(zhǎng)短不一的纖維抽脫,靶板面部鼓包較小,纖維的斷裂方式主要為拉伸斷裂。若彈體未能穿透靶板,彈孔周圍形成明顯的“+”,靶板背面出現(xiàn)較大的鼓包,靶板內(nèi)部出現(xiàn)分層。而且若靶板增強(qiáng)織物為單向或平紋織物,在彈體射出一側(cè),靶板的最外層被撕起一些小窄條,撕起和脫落窄條數(shù)量與彈體的沖擊速度和彈體的質(zhì)量有關(guān)[10]。

2 增強(qiáng)體對(duì)防彈復(fù)合材料性能的影響

2.1 增強(qiáng)纖維性能的影響

在防彈復(fù)合材料中,作為增強(qiáng)體的高性能纖維主要包括高強(qiáng)聚乙烯纖維(U HMWPE)、芳綸纖維、炭纖維和玻璃纖維。U HMWPE[11]的優(yōu)越性能是由于它的超分子結(jié)構(gòu)決定的,其傳播應(yīng)力波的速度相當(dāng)于芳綸纖維的兩倍[12]。但U HMWPE纖維在高溫下使用強(qiáng)度低,其惰性的分子鏈就很難與通用的樹(shù)脂基體粘接形成性能優(yōu)良的復(fù)合材料。為提高U HMWPE性能,Della[13]等采用碳納米管來(lái)增強(qiáng)U HMWPE纖維以提高其防彈性能。此外,射線等外界因素也間接影響著纖維的防彈性能,Alves[14]通過(guò)加速實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)250kGy的γ射線輻射后U HMWPE由韌性向脆性的轉(zhuǎn)換,從而影響其防彈性能。芳綸纖維的化學(xué)鍵主要由芳環(huán)構(gòu)成,這種芳環(huán)剛性高,使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài),形成棒狀結(jié)構(gòu),因而纖維具有高模量,并且具有極強(qiáng)的韌性。但芳綸纖維是一種沿軸向排列的有規(guī)則的褶疊層結(jié)構(gòu),所以其橫向強(qiáng)度低、壓縮和剪切性能差且易劈裂[15]。玻璃纖維由于韌性較低,在防彈復(fù)合材料中一般用于層合板的夾層,炭纖維則因?yàn)槠漭^低的壓縮強(qiáng)度[16]限制了它在彈道性能方面的應(yīng)用。

研究表明[17],U HMWPE單位質(zhì)量能量吸收是29.9kJ/kg,炭纖維為63.5kJ/kg。與編織的芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料相比,編織炭纖維布/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有較高的能量吸收能力,因此混合脆性的炭纖維與韌性的高性能聚乙烯纖維,能使結(jié)構(gòu)沖擊后保持了完整性及穩(wěn)定性,但能量吸收能力有所下降。張佐光[18]等人通過(guò)對(duì)不同面密度的玻纖復(fù)合材料靶板、芳綸復(fù)合材料靶板以及Dyneema UD66復(fù)合材料靶板進(jìn)行了靶試,發(fā)現(xiàn)這三種復(fù)合材料的吸能都隨面密度的增加而增加,但增加速度不同,芳綸纖維和高強(qiáng)聚乙烯纖維明顯優(yōu)于玻璃纖維。

除了高性能纖維外,天然纖維在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到人們的重視。Wambua[19]等人曾對(duì)黃麻、亞麻、大麻織物增強(qiáng)聚丙烯的復(fù)合材料防彈性能進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞麻織物增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的防彈性能竟高于純金屬鋼板,但黃麻和大麻織物防彈復(fù)合材料的防彈性能稍遜于純金屬鋼板。

2.2 二維織物結(jié)構(gòu)的影響

Roylance等[20]指出,除了纖維的性能之外,織物的組織對(duì)材料的防彈性能同樣有著很大的影響。Karahan[21]等認(rèn)為,對(duì)于機(jī)織物,由于交織的作用,紗線必定存在彎曲,當(dāng)織物表面受到?jīng)_擊作用的時(shí)候,作用力就會(huì)產(chǎn)生水平方向以及垂直方向的分量Fx和Fy(如圖2所示),這會(huì)導(dǎo)致紗線之間相對(duì)滑移嚴(yán)重,產(chǎn)生更大創(chuàng)傷。

圖2 受彈道沖擊機(jī)織物纖維中的應(yīng)力[21]Fig.2 Stress in the fiber of the woven fabric after ballistic impact

自由纖維在拉伸載荷下,受力狀態(tài)比較簡(jiǎn)單,僅受到單純的正應(yīng)力,而織物中的纖維不僅受到正應(yīng)力,還受到了橫向的拉應(yīng)力(如圖3所示)。圖中,纖維截面上的拉應(yīng)力σt=P/(πd2/4)=4P/(πd2),彎曲力矩M=Pd/2,彎曲截面模量Wz=πd3/32,彎曲應(yīng)力σb=M/Wz=(Pd/2)/(πd3/32)=16P/πd2=4σt,應(yīng)力之和σ=σb+σt=5σt(式中P——拉力 ,d——纖維直徑)。可見(jiàn)此時(shí),產(chǎn)生的合應(yīng)力是拉應(yīng)力的5倍。因此,相對(duì)于自由纖維,織物中的纖維更容易產(chǎn)生斷裂。

圖3 織物纖維受橫向力的分析Fig.3 Analysis of the stress in the fiber when horizontal force was applied

由圖3中可以看出,應(yīng)力波在纖維中的傳遞取決于纖維的彎度以及交織點(diǎn)的個(gè)數(shù)。由于應(yīng)力波在彎度小的纖維中傳播相對(duì)于彎度大的快,而應(yīng)力波傳遞越快,單位時(shí)間內(nèi)傳遞能量越多,因此吸能效果越好,所以無(wú)編織物(纖維間無(wú)交織的織物)較編織、針織以及機(jī)織物的防彈性能好。在機(jī)織物中,相對(duì)于斜紋和平紋織物,緞紋織物的防彈性能最好。而相對(duì)于普通的機(jī)織物來(lái)說(shuō),一些針織物的防彈性能較好,如李勇[22]及梁子青[23]等分別對(duì)經(jīng)編及緯編雙軸向織物的抗沖擊性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)機(jī)織布由于彎曲的紗線本身存在應(yīng)力,使其承受外部剪切力的能力減少,而雙軸向織物紗線呈平行排列,理論上內(nèi)部應(yīng)力為零,不會(huì)產(chǎn)生機(jī)織布中紗線的蠕變和松弛現(xiàn)象,其紗線在受到?jīng)_擊時(shí)所有承載的應(yīng)力也較機(jī)織布大。因此相對(duì)于普通機(jī)織物,雙軸向織物具有對(duì)載荷響應(yīng)快的特點(diǎn),在防彈中更受人們的青睞。

除二維織物中纖維取向外,織物的單層面密度和層數(shù)對(duì)復(fù)合材料的防彈性能也具有不可忽視的影響。Goldsmith[24]認(rèn)為炭纖維/環(huán)氧層合板彈道極限速度V50是板厚的函數(shù),曲線初始階段斜率較大,然后隨板厚線性增長(zhǎng)。增加織物的層數(shù)是增加其面密度的有效途徑,織物的層數(shù)增加,單層織物吸收的能量也會(huì)增加,總吸能便大大提高。而且在面密度一定的情況下,層數(shù)越多,單層面密度越低,織物的防彈性能越好[25-27]。當(dāng)然,若一味地增加織物面密度,既提高了成本,又增加了質(zhì)量,并不利于防彈復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

2.3 三維織物結(jié)構(gòu)的影響

由于三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,針對(duì)三維編織防彈復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外研究目前還處于探索階段。Jenq[28]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧四步法三維編織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能進(jìn)行研究,指出了侵徹破壞包括基體開(kāi)裂、纖維斷裂、纖維從試件背面抽拔等模式,并把準(zhǔn)靜態(tài)侵徹破壞模式及破壞準(zhǔn)則用于預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)侵徹的剩余速度和靶板的彈道極限。練軍[29]首次提出了三維編織復(fù)合材料精細(xì)化的準(zhǔn)細(xì)觀模型,并采用該模型有效地模擬了三維編織復(fù)合材料的彈道貫穿過(guò)程,獲得了纖維和樹(shù)脂抗侵徹過(guò)程中的吸能差異以及子彈受力變化等實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到的中間結(jié)果。Baucom[30]等還對(duì)其中含有氮?dú)獾娜S多孔復(fù)合材料(也稱泡沫復(fù)合材料)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)研究,發(fā)現(xiàn)三維泡沫復(fù)合材料受到彈道沖擊時(shí)相對(duì)于無(wú)孔復(fù)合材料有許多優(yōu)點(diǎn):①降低了材料的重量;②基體碎裂以后有一定的偏移,增加吸能;③氣孔給予了其中的纖維更大的可撓曲空間。因此,防彈材料的比吸能性獲得了大幅度的提高。

三維編織復(fù)合材料彈道沖擊破壞形態(tài)與二維織物相比[31],破壞發(fā)生于局部,復(fù)合材料橫向整體變形較小。細(xì)觀上正面纖維的斷裂面較為光滑,少部分纖維呈原纖化狀態(tài),而反面纖維大量表現(xiàn)為纖維的原纖化。相對(duì)于層壓復(fù)合材料,一般認(rèn)為三維編織復(fù)合材料的防彈性能要稍微遜色,主要是由于三維編織復(fù)合材料中,纖維的屈曲以及縐縮較多,影響了應(yīng)力波在其中的傳遞,導(dǎo)致子彈動(dòng)能無(wú)法被迅速吸收。然而,Flanagan[32]認(rèn)為,U HMWPE纖維增強(qiáng)的三維編織織物的防彈性能要優(yōu)于其他形式的織物,主要是因?yàn)槠渲械臋M向紗線的存在以及其良好的結(jié)構(gòu)整體性,高的抗侵徹性能以及低損壞。因此,關(guān)于三維編織織物和鋪層織物增強(qiáng)的復(fù)合材料的防彈性能的比較還有待進(jìn)一步的考察。

針對(duì)縫合復(fù)合材料的防彈性能,目前也存在著一些爭(zhēng)議。Mouritz[33]通過(guò)對(duì)玻纖增強(qiáng)縫合復(fù)合材料的研究認(rèn)為,縫合并不能明顯改善材料的彈道性能,主要因?yàn)樵趶椀罌_擊下縫合織物的抗彎性能和非縫合的類似。然而 Hosur[34]等分別對(duì)25.4mm和12.7mm厚的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于非縫合的復(fù)合材料,縫合復(fù)合材料的彈道性能略有提高,且12.7mm厚的縫合復(fù)合材料提高相對(duì)明顯。Hsin[35]等認(rèn)為,在縫合的過(guò)程中,當(dāng)縫合長(zhǎng)度大于縫合寬度時(shí),復(fù)合材料的防彈性能是同等材料下非縫合或其他縫合形式復(fù)合材料抗穿透性能的兩倍。

3 基體對(duì)復(fù)合材料防彈性能的影響

3.1 基體材料性能的影響

防彈纖維復(fù)合材料基體樹(shù)脂的性能及其含量直接影響著沖擊侵徹過(guò)程中纖維的分布和受力狀態(tài),從而影響到材料的破壞模式和防彈性能。熱塑性樹(shù)脂韌性良好的特點(diǎn)賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷能力,而熱固性樹(shù)脂基體在復(fù)合材料中交聯(lián)固化為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),剛度較高、脆性較大、抗沖擊和抗損傷的能力較差[7]。常用樹(shù)脂基體主要包括聚氨酯、橡膠、聚乙烯和乙烯基酯樹(shù)脂。

聚氨酯中由于含有柔性分子鏈,故具有極好的抗彎、抗沖擊性能,此外它還具有較強(qiáng)的剝離強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐低溫性能[36]。Lodewijk等人[37]研究發(fā)現(xiàn),使用高性能纖維增強(qiáng)無(wú)定形聚氨酯防彈復(fù)合材料可以防止由于受到彈擊而產(chǎn)生大量的破損對(duì)使用者形成的傷害。

橡膠類樹(shù)脂基體由于富有韌性和抗震性,其防彈性能整體上優(yōu)于聚氨酯類基體[38],被大量用于防彈復(fù)合材料韌性層中,以提高防彈效果。趙俊山[39]等人曾在防彈材料中加入橡膠,發(fā)現(xiàn)它的存在延長(zhǎng)了彈頭侵徹過(guò)程,吸收了更多的彈體能量。由于天然橡膠具有易老化和耐有機(jī)溶劑性能不佳等缺點(diǎn),人造橡膠聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(SEBS)在防彈材料中的使用逐漸浮出水面[40]。俞喜菊[7]等采用聚乙烯對(duì)SEBS彈性體進(jìn)行改性,結(jié)果表明,在 SEBS中加入高密度聚乙烯(HDPE)大大提高了復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度,又賦予復(fù)合材料良好的加工流變性能及適當(dāng)?shù)挠捕取?/p>

防彈領(lǐng)域采用的聚乙烯類樹(shù)脂主要有 HDPE和低密度聚乙烯(LDPE)。Arazi[41]等分別使用U HMWPE纖維增強(qiáng) HDPE及LDPE,結(jié)果表明 HDPE由于發(fā)生較多的縱裂而使得其復(fù)合材料的防彈性能會(huì)高于LDPE基復(fù)合材料。

乙烯基酯樹(shù)脂因?yàn)榫哂絮セ?密度低,綜合了環(huán)氧樹(shù)脂的粘結(jié)性能和不飽和樹(shù)脂的加工工藝。Walsh[42]在測(cè)試U HMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彈道侵徹的性能中發(fā)現(xiàn),乙烯基酯樹(shù)脂由于對(duì)纖維具有較好的粘結(jié)性,因此乙烯基酯復(fù)合材料的吸能性高于聚氨酯基復(fù)合材料。但它作為熱固性樹(shù)脂(包括環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂)所具有的低韌性特點(diǎn)限制了它在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2 基體含量的影響

熊杰[43]等人通過(guò)對(duì)芳綸層壓復(fù)合材料彈道性能的研究,揭示了靶板的彈道極限、彈道性能指數(shù)與樹(shù)脂體積含量的關(guān)系。他認(rèn)為層壓板的彈道極限主要取決于織物層數(shù),與樹(shù)脂體積含量關(guān)系不大,然而樹(shù)脂含量太低或者太高都會(huì)對(duì)材料的防彈性能產(chǎn)生不利的影響。一方面樹(shù)脂體積含量不能太低,防止樹(shù)脂層過(guò)薄造成織物與樹(shù)脂的界面黏結(jié)力過(guò)低,從而在子彈的高速?zèng)_擊下易產(chǎn)生界面粘結(jié)破壞;另一方面,樹(shù)脂體積含量也不能過(guò)高,對(duì)于具有相同織物層數(shù)的層壓板,樹(shù)脂含量增加導(dǎo)致了靶板重量的增加,而且樹(shù)脂含量偏高,層間的樹(shù)脂層變厚,而樹(shù)脂層又是弱相,彈擊時(shí)容易造成樹(shù)脂基體內(nèi)聚破壞,不能充分發(fā)揮纖維的作用。Andrew等[44]認(rèn)為,在兩層織物之間僅需使用一層樹(shù)脂薄膜,以保證樹(shù)脂不會(huì)浸潤(rùn)到纖維之間或者穿過(guò)整層纖維布,這樣可以獲得良好的彈道性能。同樣Cunning[45]的專利也揭示了在層間鋪三層樹(shù)脂的復(fù)合材料的防彈性能要明顯遜于層間僅鋪一層樹(shù)脂的復(fù)合材料。劉國(guó)權(quán)等人[46]還分析了對(duì)于不同種類的樹(shù)脂,增加其體積含量會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料V50值有不同的變化,例如橡膠等熱塑性樹(shù)脂作為基體的防彈復(fù)合材料隨著基體含量的增加,V50逐漸趨向于某一個(gè)值,而不會(huì)降低;而熱固性樹(shù)脂層合板當(dāng)樹(shù)脂含量增加到一定程度以后,V50隨基體體積含量的增加而下降。同樣,對(duì)于不同纖維增強(qiáng)的防彈復(fù)合材料,理想樹(shù)脂含量也是不同的。表2為不同纖維增強(qiáng)防彈復(fù)合材料的理想樹(shù)脂含量。

從表中可以發(fā)現(xiàn),防彈復(fù)合材料所采用的樹(shù)脂體積含量一般都低于30%。主要是是由于防彈復(fù)合材料中樹(shù)脂對(duì)靶板剛性和結(jié)構(gòu)整體性的主要貢獻(xiàn)僅為樹(shù)脂與織物表面纖維的粘結(jié),避免纖維在彈丸沖擊下產(chǎn)生滑移,充分發(fā)揮纖維高強(qiáng)高模特性及傳遞應(yīng)力、均衡載荷等功能,樹(shù)脂自身的碎裂吸能并不是彈道吸能的主要方式。

復(fù)合材料的成型壓力對(duì)材料的防彈性同樣具有很大的影響[48],主要是由于成型壓力直接影響了材料的面密度、體密度以及界面強(qiáng)度。成型壓力較小時(shí),層與層之間結(jié)合不夠緊密,當(dāng)一部分纖維受到?jīng)_擊時(shí),無(wú)法通過(guò)層間耦合與其他纖維相互作用,纖維的協(xié)同效應(yīng)差,不利于應(yīng)力波的傳遞和沖擊能量的耗散,因而吸能較低。隨著成型壓力的提高,纖維間協(xié)同效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng),吸能迅速提高,然而,達(dá)到最大值后,繼續(xù)提高成型壓力將使層板彎曲剛度提高,不利于纖維的拉伸變形,使得參與拉伸斷裂的纖維數(shù)目減少,因此吸能降低。

表2 不同纖維增強(qiáng)體最佳樹(shù)脂基體含量[45-47]Table 2 The best matrix volume fraction of the composites reinforced by different fibers[45-47]

4 界面對(duì)防彈性能的影響

界面的作用是促使纖維和基體形成一個(gè)整體,通過(guò)它傳遞應(yīng)力[49]。從微觀角度看,界面是由表面原子及表面亞原子構(gòu)成,基體與纖維表面原子的構(gòu)成取決于原子間的親和力、原子和基團(tuán)的大小以及復(fù)合材料制成后界面上產(chǎn)生的收縮量。對(duì)于復(fù)合材料中纖維與基體的結(jié)合,一般要滿足如下性能:①樹(shù)脂與纖維的接觸角盡可能地小,以達(dá)到完全浸潤(rùn);②樹(shù)脂黏度越小,越容易浸潤(rùn);③用物理及化學(xué)方法清除“薄弱界面”并賦予適當(dāng)?shù)拇植诙萚36]。

在防彈機(jī)理中,纖維與基體之間的界面脫粘是復(fù)合材料吸收彈體能量的一個(gè)重要方式[50]。當(dāng)界面粘接弱時(shí),裂紋端部出現(xiàn)脫粘,脫粘引起的能量吸收主要取決于粘接強(qiáng)度,當(dāng)界面粘接強(qiáng)時(shí),纖維被沖斷和纖維端部應(yīng)力松弛吸收能量。因此,適當(dāng)降低界面粘接強(qiáng)度有利于提高沖擊韌性[46]。然而界面強(qiáng)度過(guò)低,基體與纖維的抱合能力會(huì)下降,纖維在彈擊作用下更易產(chǎn)生滑移,影響防彈性能[23]。其中,針對(duì)表面惰性較強(qiáng)的U HMWPE纖維,人們開(kāi)展了一系列表面改性研究。Moon[51]通過(guò)氧等離子體刻蝕聚乙烯纖維表面,獲得了滿意的界面性能;Cohen[52]將具有一定張力的U HMWPE纖維浸在石蠟油中并加熱,發(fā)現(xiàn)在149℃左右時(shí),纖維僅僅是表面膨脹而不會(huì)發(fā)生溶解,結(jié)果纖維表面更加粗糙的同時(shí)避免了纖維性能的明顯下降,由該纖維增強(qiáng)的乙烯基酯復(fù)合材料具備了更加良好的吸能性;鄭震[53]等人發(fā)現(xiàn)電暈法可使纖維表面氧化產(chǎn)生微坑、表面交聯(lián)等,消除了弱邊界層,增大了表面能。這些方法均具有兩方面的作用,一是通過(guò)對(duì)纖維表面的蝕刻作用,形成力學(xué)咬合力,另一方面是在纖維表面引入含氧基團(tuán),增強(qiáng)了纖維與樹(shù)脂的作用力[54]。

5 防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防彈材料自問(wèn)世以來(lái)就以迅猛的速度向前發(fā)展,由早期的普通金屬防彈板到單層的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體的防彈復(fù)合材料,再發(fā)展到當(dāng)今多層次、梯度化結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。表3為部分國(guó)內(nèi)外關(guān)于防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 部分防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Table 3 Structural design of some ballistic composites

從表3中不難看出,織物表層多采用壓縮強(qiáng)度較強(qiáng)的纖維,而內(nèi)層多采用拉伸強(qiáng)度較大的纖維。除增強(qiáng)材料之外,樹(shù)脂基體的性能也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的重要因素之一。Cunning[45]認(rèn)為,當(dāng)里層纖維的韌性及斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表層纖維,層與層之間所采用的樹(shù)脂模量不低于48.3MPa時(shí),可獲得優(yōu)良的抗彈性能。Prevorsek[61]認(rèn)為在防彈材料的外表纏繞兩層互相正交的無(wú)緯布,可顯著提高材料的彈道侵徹性能。

由于防彈材料正面以纖維壓縮、剪切破壞為主,反面以拉伸破壞為主,因此,正面材料單向板應(yīng)該采用壓縮強(qiáng)度較大的纖維如陶瓷纖維、高強(qiáng)玻纖等,背面則應(yīng)采用拉伸強(qiáng)度較大的纖維,如芳綸、U HMWPE纖維等。背板若采用三維編織增強(qiáng)的復(fù)合材料[62],可減少分層以及穿透現(xiàn)象?？紤]到應(yīng)力波的傳遞和織物組織及吸能的關(guān)系,可采用無(wú)編織物作為增強(qiáng)材料。在鋪層過(guò)程中,可錯(cuò)配輔層角,有利于材料的防彈,主要由于裂紋穿過(guò)某層到達(dá)與相鄰纖維輔層角不同的層之間的界面時(shí),由于相鄰層中纖維織物輔層角的變化,對(duì)裂紋沿厚度方向擴(kuò)散起到了阻礙作用,因而迫使裂紋轉(zhuǎn)向薄弱的界面擴(kuò)展,這樣輔層角不同的靶板受到的損傷相對(duì)較小且吸能較多[63,64]。

6 結(jié)束語(yǔ)

防彈復(fù)合材料作為高性能防彈材料具有質(zhì)量輕、成本低和吸能性好等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用到防彈的各個(gè)領(lǐng)域,并有著廣闊的發(fā)展前景。但是隨著武器裝備的不斷更新?lián)Q代,對(duì)防彈復(fù)合材料也提出了新的挑戰(zhàn),仍有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步的解決,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)對(duì)增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),研究增強(qiáng)體材料的結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響,尤其是針對(duì)三維編織結(jié)構(gòu)的研究還很少。

(2)分析樹(shù)脂基體與增強(qiáng)纖維的匹配性,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位提出合適的基體樹(shù)脂。

(3)研究復(fù)合材料界面粘接強(qiáng)度與防彈極限速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

(4)根據(jù)彈塊在侵徹過(guò)程中復(fù)合材料的不同破壞模式,建立系統(tǒng)、詳實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù),為防彈復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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Structure and Bullet-proof Mechanism of Ballistic Composites

CHEN Lei1,XU Zhi-wei1,LI Jia-lu1,ZHANG Liu-fei2,CHEN Li1,WU Xiao-qing1,SUN Ying1,CHEN Guang-wei1
(1 Key Laboratory of Advanced Braided Composites(Ministry of Education),Institute of Composite Materials,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China;2 Jiangyin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Jiangyin 214400,Jiangsu,China)

The interaction mechanisms of bomb block and composites are discussed,and the energy-absorbing means and failure mode of composites are analyzed in the penetration process of bomb block.The structural design of bullet-proof composite was put forward.The influence of single-fiber properties,fabric structure,resin,matrix content and interface strength on the bullet-proof performance is investigated.It is expected that this paper is beneficial to the structural design of bullet-proof composites.

bullet-proof composite;structural design;failure mode;fabric structure;interface

TB332

A

1001-4381(2010)11-0094-07

天津市自然基金資助項(xiàng)目(10JCYBJC02300,09JCYBJC03700)

2009-07-27;

2010-04-15

陳磊(1986—),男,碩士研究生,主要從事抗沖擊復(fù)合材料的研究,聯(lián)系地址:天津市河?xùn)|區(qū)成林道63號(hào)(300160),E-mail:xlchenlei@163.com