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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

由图3中可以看出,应力波在纤维巾的传递取决于纤维的弯度以及交织点的个数。由于应力波在弯度小的纤维中传播相对于弯度大的快,而应力波传递越快,单位时间内传递能量越多,因此吸能效果越好,所以无编织物(纤维间无交织的织物)较编织、针织以及机织物的防弹性能好在机织物中,相对于斜纹和平纹织物,缎纹织物的防弹性能最好。而相对于普通的机织物来说,一些针织物的防弹性能较好,如李勇及梁子青。等分别对经编及纬编双轴向织物的抗冲击性能进行了研究,发现机织布由于弯曲的纱线本身存在应力,使其承受外部剪切力的能力减少,而双轴向织物纱线呈平行排列,理论上内部应力为零,不会产生机织布中纱线的蠕变和松弛现象,其纱线在受到冲击时所有承载的应力也较机织布大。因此相对于普通机织物,双轴向织物具有对载荷响应快的特点,在防弹中更受人们的青睐。

除二维织物中纤维取向外,织物的单层面密度和层数对复合材料的防弹性能也具有不可忽视的影响。

Goldsmith认为炭纤维/环氧层合板弹道极限速度V。是板厚的函数,曲线初始阶段斜率较大,然后随板厚线性增长。增加织物的层数是增加其面密度的有效途径,织物的层数增加,单层织物吸收的能量也会增加,总吸能便大大提高。而且在面密度一定的情况下,层数越多,单层面密度越低,织物的防弹性能越好。当然,若一味地增加织物面密度,既提高了成本,又增加了质量,并不利于防弹复合材料的广泛应用。

2.3三维织物结构的影响

由于三维编织复合材料细观结构比较复杂,针对三维编织防弹复合材料国内外研究目前还处于探索阶段。Jenq_2。]对玻璃纤维增强环氧四步法三维编织复合材料准静态侵彻性能进行研究,指出了侵彻破坏包括基体开裂、纤维断裂、纤维从试件背面抽拔等模式,并把准静态侵彻破坏模式及破坏准则用于预测动态侵彻的剩余速度和靶板的弹道极限。练军首次提出了三维编织复合材料精细化的准细观模型,并采用该模型有效地模拟了三维编织复合材料的弹道贯穿过程,获得了纤维和树脂抗侵彻过程中的吸能差异以及子弹受力变化等实验无法得到的中间结果。Bau—coml3等还对其中含有氮气的三维多孔复合材料(也称泡沫复合材料)进行动态和准静态研究,发现三维泡沫复合材料受到弹道冲击时相对于无孔复合材料有许多优点:①降低了材料的重量;②基体碎裂以后有一定的偏移,增加吸能l③气孔给予了其中的纤维更大的可挠曲空问。因此,防弹材料的比吸能性获得了大幅度的提高。

三维编织复合材料弹道冲击破坏形态与二维织物

相比,破坏发生于局部,复合材料横向整体变形较小。细观上正面纤维的断裂面较为光滑,少部分纤维呈原纤化状态,而反面纤维大量表现为纤维的原纤化。

相对于层压复合材料,一般认为三维编织复合材料的防弹性能要稍微逊色,主要是由于三维编织复合材料中,纤维的屈曲以及绉缩较多,影响了应力波在其中的传递,导致子弹动能无法被迅速吸收。然而,Flana—gan认为,UHMWPE纤维增强的三维编织织物的防弹性能要优于其他形式的织物,主要是因为其中的横向纱线的存在以及其良好的结构整体性,高的抗侵彻性能以及低损坏。因此,关于三维编织织物和铺层织物增强的复合材料的防弹性能的比较还有待进一步的考察。

针对缝合复合材料的防弹性能,目前也存在着一些争议。Mouritz。通过对玻纤增强缝合复合材料的研究认为,缝合并不能明显改善材料的弹道性能,主要因为在弹道冲击下缝合织物的抗弯性能和非缝合的类似。然而Hosur[3等分别对25.4mm和12.7mm厚的玻璃纤维增强复合材料进行研究,发现相对于非缝合的复合材料,缝合复合材料的弹道性能略有提高,且12.7mm厚的缝合复合材料提高相对明显。Hsin_3等认为,在缝合的过程中,当缝合长度大于缝合宽度时,复合材料的防弹性能是同等材料下非缝合或其他缝合形式复合材料抗穿透性能的两倍。

3基体对复合材料防弹性能的影响

3.1基体材料性能的影响

防弹纤维复合材料基体树脂的性能及其含量直接影响着冲击侵彻过程中纤维的分布和受力状态,从而影响到材料的破坏模式和防弹性能。热塑性树脂性良好的特点赋予了复合材料优异的抗冲击性能和抗损伤能力,而热固性树脂基体在复合材料中交联固化为三维网络结构,刚度较高、脆性较大、抗冲击和抗损伤的能力较差。常用树脂基体主要包括聚氨酯、橡胶、聚乙烯和乙烯基酯树脂。

聚氨酯中由于含有柔性分子链,故具有极好的抗弯、抗冲击性能,此外它还具有较强的剥离强度和化学稳定性以及优异的耐低温性能。Lodewijk等人口]研究发现,使用高性能纤维增强无定形聚氨酯防弹复合材料可以防止由于受到弹击而产生大量的破损对使用者形成的伤害。

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