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易倍体育emc【复材资讯】国家重点研发计划:Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹性能
发布时间:2024-07-10 00:50:06 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版

  摘要:为探究 Kevlar 纤维单向(UD)片材复合材料防弹性能,以水性丙烯酸树脂/水性聚氨酯为基体,采用湿法缠绕技术与热压工艺制备了 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料。探究共混树脂配比,树脂含量,热压工艺等因素对 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能的影响规律,揭示材料的防弹机制,以及对靶板结构进行优化。结果表明:随着水性丙烯酸树脂在共混树脂中比重的增加,Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能呈先增大后减小的趋势,当水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂的比例为 1∶2 时,防弹性能较好。随着树脂含量的增加,Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能呈先增大后减小的趋势,当树脂含量为 19wt%时,防弹性能较好。Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能随着热压压力、热压温度、热压时间的增大呈先增大后减小的趋势。Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹机制主要分成三个阶段,第一阶段主要以纤维剪切破坏的方式吸收能量,第二阶段主要以纤维拉伸断裂的方式吸收能量为主,第三阶段主要以纤维拉伸变形的方式吸收能量。8UD/4UD/8UD 结构的 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能较好。

  本研究选择Kevlar 纤维作为增强纤维,水性聚氨酯/水性丙烯酸树脂共混树脂作为基体,UD 结构作为织物增强结构,采用叠层的方式制备片材靶,相对于层压板更加柔软,服用性能好;探究共混树脂配比,树脂含量,热压工艺等影响因素对其防弹性能的影响规律,揭示其防弹机制,并对其结构优化,为进一步优化设计柔性防弹衣提供参考。

  Kevlar 纤维单向(UD)片材的制备过程如图 1 所示,首先通过滚筒式 UD 机,将 Kevlar 纤维长丝均匀铺展得到单 UD 片材,将单 UD 片材旋转 90°,在单 UD 片材基础上,再次通过 UD 机,得到 2UD 结构片材。

  第一阶段,根据靶板面密度,裁剪所需的2UD 单元结构片材(250 mm × 250 mm),热压时需要用隔离膜将每层靶片隔离,避免粘黏。根据靶板对靶片单元结构和面密度的要求,将相应片数的 2UD 单元结构片材与隔离膜交叉铺层,保证靶片按照 0°/90°/0°…的方式排列。

  第二阶段,热压机预热到设定温度,将上述铺设好的材料放入热压机,开始加压到预设值,然后保压、保温一定时间,当时间到达预设值后,进行卸压、降温。

  第三阶段,当靶片温度降到室温后,将靶片按照 0°/90°叠层放置,制备靶板,靶片之间无树脂粘结,如图 3 所示。再次称重,确认面密度、含胶量等是否达到预设值。

  参照 GA141—2010 《警用防弹衣》2级防弹标准[20],对尺寸为 250 mm × 250mm 的 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料靶板进行三次射击,射击距离为 5 米。弹道试验装置如图 4 所示,选择胶泥为衬底,以深度尺测量背凸深度(BFS)。弹道侵彻实验标准参数如表 1 所示。

  合适的树脂与纤维可以形成良好的界面,使增强纤维和树脂基体形成一个整体,可以更好传递应力,吸收和耗散能量。

  本研究采用物理共混的方法,探究两种树脂的共混比例对 Kevlar 纤维 UD 布防弹性能的影响,不同配比的共混树脂制备的Kevlar 纤维 UD 片材靶板打靶结果如表 2 和图 5 所示。

  结合表 2 和图 5 可知,(1)随着水性丙烯酸树脂所占比重的增加,靶板的背凸深度近似呈先减小后增大的趋势,当水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂比例为 1∶2 时,靶板的背凸深度平均值最小,背凸深度为 14 mm,靶板具有良好的抗凹陷性能;(2)随着水性丙烯酸树脂所占比重增加,靶板贯穿层所占比例总体呈先减小后增大的趋势,水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂比例为 1∶2 时,靶板贯穿层所占比例平均值最小,贯穿层所占比例为 36%,靶板损伤容限较好。

  综上所述,随着水性丙烯酸树脂所占比重的增加,靶板防弹性能呈先增大后减小的趋势,当水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂比例为 1∶2 时,防弹性能较好。原因分析:实际制备中发现水性聚氨酯与 Kevlar 纤维界面性能差,UD 布无法成型,水性丙烯酸树脂与 Kevlar 纤维界面性能优于水性聚氨酯树脂。(1)当水性丙烯酸树脂所占比重的过低,纤维与树脂界面性能差,纤维容易脱粘,在遭到冲击,易滑移,有效参与防弹的纤维减少,且无法有效发挥纤维拉伸性能。(2)丙烯酸树脂含量过大,丙烯酸树脂力学性能较差,靶板遭到冲击时,树脂基体容易遭到破坏,应力波传递不均匀,树脂与Kevlar 纤维无法协同发挥作用,造成 Kevlar纤维 UD 片材靶板防弹性能降低。

  如图所示,(1)靶板的迎弹面破坏形貌类似,迎弹面弹孔表面平整,无纤维炸出,弹孔内部出现黑色附着物,孔径基本在 7 mm 左右,且近似呈正方形,迎弹面弹孔处纤维呈现剪切冲塞现象。这是因为,由于初速度大,Kevlar 纤维的横向剪切强度远远小于轴向拉伸强度,在高速冲击下,纤维未发挥拉伸性能,遭到剪切破坏失效,靶板出现剪切冲塞现象。(2)靶板背弹面靶片变形,在弹着点处出现鼓包,部分纤维出现脱粘。这是因为,在冲击过程中,应力波通过树脂与纤维界面传递与扩散,随着应力波不断地传播与叠加,靶片拉伸变形面积增大,在背弹面能量积累达到极限,形成鼓包,部分纤维达到拉伸应力极限,断裂脱粘。(3)随着水性丙烯酸树脂所占比重的增大,靶板背弹面鼓包面积呈先减小后增大趋势,靶板 4#的鼓包面积最小。这是因为,随着水性丙烯酸树脂所占比例的增加,纤维与共混树脂的界面性能提高,在高速冲击下,纤维不易发生脱粘,避免纤维滑移,使更多的纤维有效吸收能量,鼓包面积减小,但水性丙烯酸树脂所占比重过大,丙烯酸树脂力学性能较差,靶板遭到冲击时,树脂基体在拉伸变形过程中容易被破坏,无法有效传递应力波,使得靶板背弹面破坏面积增大。

  树脂含量是影响复合材料性能的重要影响因素之一,为探究树脂含量对其防弹性能的影响,不同树脂含量的 Kevlar 纤维 UD片材靶板打靶结果如表 3 和图 7 所示。

  从表 3 和图 7 可知,(1)随着树脂含量的增加,靶板的背凸深度呈先减小后增大逐渐趋于平缓的趋势,当树脂含量为 19 wt%时,靶板的背凸深度平均值最小,靶板具有良好的抗凹陷性能;(2)随着树脂含量的增加,靶板贯穿层所占比例呈增大的趋势,且增幅不断提高,树脂含量为 19 wt%靶板贯穿层所占比例最小,与 32 wt%靶板的贯穿层所占比例相比下降 40%,靶板损伤容限较好。

  综上所述,随着树脂含量的增加,靶板的防弹性能呈先增大后减小的趋势,当树脂含量为 19 wt%时,防弹性能较好。原因分析:(1)当树脂含量过低,树脂不能完全均匀地包覆纤维,在遭到冲击时,树脂不能有效传递应力,且纤维与纤维粘结强度低,易脱粘,纤维滑移,无法有效发挥纤维自身强力,导致防弹性能下降;(2)树脂含量较大,会导致纤维受到的粘结力过大,在遭到冲击时,纤维受到树脂束缚过大,纤维塑化,易发生脆性断裂,无法有效拉伸断裂,吸收能量;纤维是吸收能量的主体,相同面密度下,树脂增加,纤维含量减少,防弹性能下降。含胶量过多,靶板变形能力受到限制,这导致靶板的背凸深度逐渐趋近于平缓;需要穿透更多的层数耗散能量,导致贯穿层比例骤增现象出现。

  由图可知,(1)当树脂含量为 10 wt%时,迎弹面弹孔表面平整,无纤维炸出,且近似呈正方形,迎弹面弹孔出现剪切冲塞现象,纤维呈十字形劈裂;背弹面变形程度较大,且纤维与树脂脱粘严重。(2)当树脂含量为 19 wt%时,迎弹面弹孔表面平整,纤维呈十字形劈裂,背弹面鼓包面积减小,变形程度减弱,且纤维与树脂有脱粘现象。(3)树脂含量为 32 wt%时,迎弹面弹孔处纤维轻微炸出,纤维呈十字劈裂,背凸面积增大,背弹面光滑,纤维与树脂无明显脱粘现象。

  原因分析:(1)树脂含量较小时,纤维与树脂覆盖不均匀,纤维与树脂粘结性差,无法形成有效整体,在高速冲击时,靶板容易发生变形,在拉伸过程中,纤维易于树脂脱粘,造成背弹面大量纤维与树脂脱粘。(2)树脂含量过大时,靶片刚度大,靶板类似层合板,应力波被迅速反射,且能量较大,导致迎弹面纤维随着应力波反射轻微炸出;纤维与树脂粘结力过大,导致纤维不能有效拉伸,发挥自身强力,通过纤维断裂吸收能量较小,因此,需要背弹面更多的形变和纤维拉伸吸收能量,因此,背凸鼓包面积相对于 19 wt%含胶量靶板增大,但背弹面无明显纤维脱粘。

  热压工艺包括热压压力,热压温度,热压时间,为探究热压工艺对 Kevlar 纤维 UD布靶板防弹性能影响,进行单因素实验。不同热压工艺制备的靶板打靶测试结果如表 4和图 10 所示。

  由表 4 和图 9 可知,(1)随着热压压力的增加,靶板的背凸深度和贯穿层所占比例呈先减小后增大的趋势。当热压压力为10MPa 时,防弹性能较好。(2)随着热压温度的增加,靶板的背凸深度和贯穿层所占比例呈先减小后增大的趋势。当热压温度为130 ℃时,防弹性能较好。(3)随着热压时间的增加,靶板 BFS 值和靶板贯穿层所占比例呈先减小后增大的趋势。当热压时间为20 min 时,防弹性能较好。

  综上所述,随着热压压力,热压温度,热压时间的增加,靶板的防弹性能呈先增大后减小的趋势。原因分析:(1)树脂受热熔融,当热压压力过小,温度过低,时间过短时,共混树脂黏度大,流动性差,不能均匀浸渍纤维,界面性能差,应力波不能有效快速传播,易在树脂不均匀处反射造成破坏,不能有效吸收能量;(2)合适的压力、温度和时间可以使共混树脂充分熔融,在压力和时间的作用下,树脂流动性好,靶片逐渐被压实,均匀填补纤维与纤维之间的空隙,界面性能提高,有利于应力波的快速传递,纤维与树脂可以协同发挥作用,充分吸收冲击能量;(3)当热压压力过大,热压温度多高,热压时间过长,容易造成靶片中的纤维与树脂过于紧密,填充于纤维间隙的树脂在压力的作用下被挤出靶片,影响树脂与纤维的界面性能。

  基于 4#靶板的破坏形貌,结合应力波机制,分析铅芯弹侵彻 Kevlar 纤维 UD 片材靶板的过程,探究 Kevlar 纤维 UD 片材靶板的防弹机制,如图 10、图 11 和图 12 所示。

  结合图 10、图 11 和图 12,第 1 层靶片弹孔孔径近 7 mm 与直径相似,纤维断裂面平整,呈剪切破坏,靶片无明显变形。这是因为接触靶板,迅速产生应力波,沿着纤维轴向与靶板厚度方向传播,在应力波的作用下,靶板被迅速挤压,弹着点处纤维与其他区域纤维存在速度差,产生剪切力,迎弹面纤维还未拉伸变形就被直接剪切破坏。

  第 17 层靶片弹孔孔径增大达到 11 mm,呈近似正方形,纤维炸出方向与侵彻方向一致,靶片弹着点处呈撕裂冲剪破坏,无明显变形。这是因为在侵彻过程中,不断受到各层靶片的阻力导致产生形变,从而增大与靶板接触面积,造成弹孔孔径增大,由于速度仍较大,纤维呈剪切破坏,少量纤维呈现原纤化,拉伸破坏。

  第 20 层靶片弹孔孔径进一步增大到 21mm,纤维向背弹面方向炸出,纤维原纤化,呈拉伸破坏方式,弹孔周围靶片变形,向背弹面方向微凸,变形面积为 14.71 cm2。这是因为随着进一步变形,弹孔与靶板接触面积进一步增大,中后层靶片有足够的响应时间,应力波沿着轴向传播,产生拉应力,纤维充分拉伸,达到拉伸应力极限断裂,吸收能量,应力波在纤维断裂之前传播扩散,造成靶片变形。

  第 21 层靶片无孔洞,被拦截,背弹面以弹着点为中心呈近似四角星背凸,变形面积为 22.36 cm2,相比上一层面积增加34%。一方面因为随着横波沿着轴向传播,产生拉应力,另一方面由于靶板层间没有树脂,纵波在靶片自由面发生反射,沿着纤维轴向产生与压缩应力相反的拉应力作用在靶片上,在两种拉应力的共同作用下,纤维被拉伸变形,由于 UD 结构,纤维呈 0°/90°排列,且应力波在纤维与树脂界面呈各向同性传递扩散,造成靶片出现近四角星背凸[29]。

  第 30 层靶片背弹面出现以弹着点为中心近四角星背凸,与 21 层相似,变形面积进一步增大为 40.98 cm2。第 44 层靶片迎弹面弹着点处出现泛白区域,背弹面呈近似

  四角星背凸,变形面积达到最大值 48.70 cm2,且纤维部分脱粘。这是因为随着应力波的不断传递与叠加,随着层数的增加不断积累,靶片变形面积逐渐增大,在最后一层能量达到最大值。

  综上所述,Kevlar 纤维 UD 布防弹机理分成三个阶段,第一阶段主要以纤维剪切破坏吸收能量;第二阶段主要以纤维拉伸破坏吸收能量;第三阶段主要以纤维拉伸变形吸收能量。

  基于对 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹机制的研究,优化 Kevlar 纤维 UD 片材复合材料结构,设计四种结构如图 13 所示。打靶结果如表 5 和图 14 所示。

  由表 5 和图 14 可知,(1)8UD/4UD 结构靶板的背凸深度最大,4UD 结构靶板和8UD/4UD/8UD 结构靶板次之,4UD/8UD 结构靶板的背凸深度最小,因此,4UD/8UD 结构靶板的抗凹陷性能较好。(2)4UD/8UD结构靶板的贯穿层比例最大,4UD 结构靶板和 8UD/4UD/8UD 结构靶板的贯穿层所占比例次之,8UD/4UD 结构靶板的贯穿所占比例最小,因此,8UD/4UD 结构靶板的损伤容限较高。

  综上所述,4UD/8UD 结构的抗凹陷性能最好,但损伤容限较低,8UD/4UD 结构的抗凹陷性能较差,但损伤容限较高;考虑两方面因素影响,8UD/4UD/8UD 结构靶板的防弹性能最优,原因是 8UD/4UD/8UD 结构靶板的背凸深度仅比 4UD/8UD 结构靶板大1 mm,8UD/4UD/8UD 结构靶板比 8UD/4UD结构靶板的贯穿层所占比例仅大 10%,两种结构靶板的贯穿层所占比例高出 19%和 29%。原因分析:(1)8UD/4UD 结构靶板的背凸深度最大,贯穿层所占比例最小,是因为侵彻过程中,初速度平均达到 450 m/s,8UD 结构靶片在前,靶片厚度方向上的层间剪切强度大,使变形程度更大,增大与靶片接触面积,增加 4UD 结构靶片的响应时间,4UD 靶片塑性变形能力强,能够更大范围的通过纤维拉伸变形吸收能量,导致 8UD/4UD 结构靶板的背凸深度最大,贯穿层所占比例最小。(2)4UD/8UD结构靶板的背凸深度最小,贯穿层所占比例最大,这是因为受到侵彻时,迎弹面4UD 结构靶片厚度方向上层间剪切强度小,容易被剪切破坏,背弹面 8UD 结构靶片刚度大,限制纤维变形,提供背衬硬度,导致4UD/8UD 结构靶板的贯穿层数所占比例远远高于 8UD/4UD 结构靶板,但背凸深度小于 8UD/4UD 结构靶板。(3)8UD/4UD/8UD结构靶板相较于其他三种结构靶板,靶板前面的 8UD 结构靶片增加了后面靶片的响应时间,使得后面纤维能够拉伸变形,靶板中间的 4UD 结构靶片纤维变性能力强,能够通过拉伸断裂等方式吸收能量,靶板后面的8UD 结构靶片也能够拉伸变形吸收能量,且提供背衬硬度,限制纤维过度变形,避免背凸深度过大。

  本文研究了共混树脂配比,树脂含量,热压成型工艺对 Kevlar 纤维单向(UD)片材复合材料防弹性能的影响,并探究其防弹机制,对靶板进行结构优化,得到如下结论:

  (1)Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹性能随着水性丙烯酸树脂比重的增加呈先增大后减小趋势。当水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂的比例为 1∶2 时,防弹性能较好。

  (2)Kevlar 纤维 UD 片材复合材料防弹性能随着树脂含量的增加呈先增大后减小趋势。当树脂含量为 19 wt%时,防弹性能较好。

  (3)Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹性能随着热压压力、热压温度和热压时间的增加呈先增大后减小趋势。

  (4)Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹机制分成三个阶段,第一阶段主要以纤维剪切破坏为主,第二阶段主要以纤维拉伸断裂为主,第三阶段主要以纤维拉伸变形为主。

  参考文献:闫卫星,郭艳文,徐柠浩,等.Kevlar 纤维 UD 片材复合材料的防弹性能 [J].复合材料学报, 2025, 42

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