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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

从表中可以发现,防弹复合材料所采用的树脂体积含量一般都低于3O。主要是是由于防弹复合材料中树脂对靶板刚性和结构整体性的主要贡献仅为树脂与织物表面纤维的粘结,避免纤维在弹丸冲击下产生滑移,充分发挥纤维高强高模特性及传递应力、均衡载荷等功能,树脂自身的碎裂吸能并不是弹道吸能的主要方式。

复合材料的成型压力对材料的防弹性同样具有很大的影响_4,主要是由于成型压力直接影响了材料的面密度、体密度以及界面强度。成型压力较小时,层与层之间结合不够紧密,当一部分纤维受到冲击时,无法通过层间耦合与其他纤维相互作用,纤维的协同效应差,不利于应力波的传递和冲击能量的耗散,因而吸能较低。随着成型压力的提高,纤维间协同效应越来越强,吸能迅速提高,然而,达到最大值后,继续提高成型压力将使层板弯曲刚度提高,不利于纤维的拉伸变形,使得参与拉伸断裂的纤维数目减少,因此吸能降低。

4界面对防弹性能的影响

界面的作用是促使纤维和基体形成一个整体,通过它传递应力[一。从微观角度看,界面是由表面原子及表面亚原子构成,基体与纤维表面原子的构成取决于原子间的亲和力、原子和基团的大小以及复合材料制成后界面上产生的收缩量。对于复合材料中纤维与基体的结合,一般要满足如下性能:①树脂与纤维的接触角尽可能地小,以达到完全浸润;②树脂黏度越小,越容易浸润;③用物理及化学方法清除“薄弱界面”并赋予适当的粗糙度。

在防弹机理中,纤维与基体之间的界面脱粘是复合材料吸收弹体能量的一个重要方式。当界面粘接弱时,裂纹端部出现脱粘,脱粘引起的能量吸收主要取决于粘接强度,当界面粘接强时,纤维被冲断和纤维端部应力松弛吸收能量。因此,适当降低界面粘接强度有利于提高冲击韧性。然而界面强度过低,基体与纤维的抱合能力会下降,纤维在弹击作用下更易产生滑移,影响防弹性能。其中,针对表面惰性较强的UHMWPE纤维,人们开展了一系列表面改性研究。Moon通过氧等离子体刻蚀聚乙烯纤维表面,获得了满意的界面性能;Cohen[将具有一定张力的UHMWPE纤维浸在石蜡油中并加热,发现在149℃左右时,纤维仅仅是表面膨胀而不会发生溶解,结果纤维表面更加粗糙的同时避免了纤维性能的明显下降,由该纤维增强的乙烯基酯复合材料具备了更加良好的吸能性;郑震胡等人发现电晕法可使纤维表面氧化产生微坑、表面交联等,消除了弱边界层,增大了表面能。

这些方法均具有两方面的作用,一是通过对纤维表面的蚀刻作用,形成力学咬合力,另一方面是在纤维表面弓1人含氧基团,增强了纤维与树脂的作用力。

5  防弹复合材料的结构设计

防弹材料自问世以来就以迅猛的速度向前发展,由早期的普通金属防弹板到单层的纤维增强树脂基体的防弹复合材料,再发展到当今多层次、梯度化结构复合材料。表3为部分国内外关于防弹复合材料的结构设计。

从表3中不难看出,织物表层多采用压缩强度较强的纤维,而内层多采用拉伸强度较大的纤维。除增强材料之外,树脂基体的性能也是结构设计考虑的重要因素之一。CunningH朝认为,当里层纤维的韧性及断裂伸长率远远小于表层纤维,层与层之间所采用的树脂模量不低于48.3MPa时,可获得优良的抗弹性能。Prevorsek认为在防弹材料的外表缠绕两层互

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