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防弹复合材料结构及其防弹机理

来源:印染在线 发布时间:2012年04月23日

评价靶板防弹性能的国际通用指标是弹道极限速度,它是指针对一定质量的弹块在该速度下(入射方向不变)穿透给定系统靶板的概率为。在防弹过程中,复合材料的破坏模式有多种,主要有纤维剪切和拉伸破坏,层合板的分层等。当弹丸开始作用于复合材料时,由于弹丸产生的压缩应力,织物产生了变形。随着子弹的侵彻,材料变形越为严重,紧随着的是分层现象的产生。当子弹从材料背面穿过时,背部形成较大的鼓包并伴有原纤化的现象产生,弹体进入一侧,弹孔基本为圆形,孔内呈现整齐的纤维断头,而弹体射出面无明显弹孔,有长短不一的纤维抽脱,靶板面部鼓包较小,纤维的断裂方式主要为拉伸断裂。若弹体未能穿透靶板,弹孔周围形成明显的“+”,靶板背面出现较大的鼓包,靶板内部出现分层。而且若靶板增强织物为单向或平纹织物,在弹体射出一侧,靶板的最外层被撕起一些小窄条,撕起和脱落窄条数量与弹体的冲击速度和弹体的质量有关。

2增强体对防弹复合材料性能的影响

2.1增强纤维性能的影响

在防弹复合材料中,作为增强体的高性能纤维主要包括高强聚乙烯纤维(UHMWPE)、芳纶纤维、炭纤维和玻璃纤维。UHMWPE¨l的优越性能是由于它的超分子结构决定的,其传播应力波的速度相当于芳纶纤维的两倍口。但UHMWPE纤维在高温下使用强度低,其惰性的分子链就很难与通用的树脂基体粘接形成性能优良的复合材料。为提高UHMWPE性能,Della[1等采用碳纳米管来增强UHMwPE纤维以提高其防弹性能。此外,射线等外界因素也间接影响着纤维的防弹性能,Alves_l通过加速实验发现250kGy的射线辐射后UHMWPE由韧性向脆性的转换,从而影响其防弹性能。芳纶纤维的化学键主要由芳环构成,这种芳环刚性高,使聚合物链呈伸展状态,形成棒状结构,因而纤维具有高模量,并且具有极强的韧性。但芳纶纤维是一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构,所以其横向强度低、压缩和剪切性能差且易劈裂口。玻璃纤维由于韧性较低,在防弹复合材料中一般用于层合板的夹层,炭纤维则因为其较低的压缩强度口。限制了它在弹道性能方面的应用。

研究表明口,UHMWPE单位质量能量吸收是29.9kJ/kg,炭纤维为63.5kJ/kg。与编织的芳纶/环氧复合材料相比,编织炭纤维布/环氧树脂复合材料具有较高的能量吸收能力,因此混合脆性的炭纤维与韧性的高性能聚乙烯纤维,能使结构冲击后保持了完整性及稳定性,但能量吸收能力有所下降。张佐光胡等人通过对不同面密度的玻纤复合材料靶板、芳纶复合材料靶板以及DyneemaUD66复合材料靶板进行了靶试,发现这三种复合材料的吸能都随面密度的增加而增加,但增加速度不同,芳纶纤维和高强聚乙烯纤维明显优于玻璃纤维。

除了高性能纤维外,天然纤维在防弹领域的应用也逐渐受到人们的重视。Wambua_1等人曾对黄麻、亚麻、大麻织物增强聚丙烯的复合材料防弹性能进行研究,结果发现亚麻织物增强聚丙烯复合材料的防弹性能竟高于纯金属钢板,但黄麻和大麻织物防弹复合材料的防弹性能稍逊于纯金属钢板。

2.2二维织物结构的影响

Roylance等'2。。指出,除了纤维的性能之外,织物的组织对材料的防弹性能同样有着很大的影响。Karahan~等认为,对于机织物,由于交织的作用,纱线必定存在弯曲,当织物表面受到冲击作用的时候,作用力就会产生水平方向以及垂直方向的分量F和F(如图2所示),这会导致纱线之间相对滑移严重,产生更大创伤。

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