CN111978682B - 一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金刚石颗粒防弹复合材料的制备方法，属于防弹材料制备技术领域。以环氧树脂为基体，通过对金刚石颗粒进行表面改性，采用液相物理共混法制备金刚石颗粒增强环氧树脂胶分散液；用金刚石颗粒增强环氧树脂分散液浸渍凯夫拉纤维布，加压固化得到金刚石颗粒增强复合防弹材料。本发明利用金刚石颗粒的高硬度对高速侵彻弹丸产生的破碎、磨蚀等作用，消耗弹丸动能，所制备的防弹复合材料具有比传统凯夫拉纤维树脂基复合材料更为优异的抗弹性能；该方法原理可靠，步骤简单，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于防弹材料技术领域，具体涉及一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法。
背景技术
目前常用的装甲防护材料主要分为金属装甲材料，如装甲钢、铝合金和钛合金等，以及非金属装甲材料，如陶瓷和纤维复合材料等。与传统的金属装甲材料相比，非金属材料的密度较低，非常适应装甲材料轻量化的发展趋势。其中，陶瓷材料具有低密度、高压缩强度、高硬度和良好的耐高温性能等诸多优点。当其应用于装甲材料中，能够使弹丸减速、钝化甚至破碎，所产生的陶瓷碎块也能够通过对弹丸的磨蚀作用吸收能量。然而，陶瓷材料显著的脆性使其吸能过程主要通过脆性断裂而非塑性变形进行，因而并不具备很好的抗多发打击性能。纤维增强树脂基复合材料是另一类极具应用前景的防护材料，这类材料的密度更低，具备比金属材料高得多的比强度和比模量，更重要的是其动能吸收性较好，且具有很好的抗二次杀伤性能。目前应用于防护材料的高性能纤维主要有玻璃纤维、凯夫拉纤维和超高分子量聚乙烯纤维等。在这三类纤维材料中，玻璃纤维的密度最大，其脆性断裂的破坏形式以及较低的延伸率导致吸能较低；凯夫拉纤维的密度居中，其比强度和延伸率均高于玻璃纤维，动能吸收性较好；超高分子量聚乙烯纤维的密度最低，且具备最为优异的综合力学性能。然而，超高分子量聚乙烯纤维的主要缺点是耐热性和阻燃性较差，限制了其实际应用。因而，凯夫拉纤维是其中应用较广的一种。凯夫拉纤维增强树脂基复合材料也有其缺陷：作为一种软质材料，在用于单兵防护领域时，其较大的塑性变形可能会对人体造成严重的钝击伤。因此，如何减少复合材料板后的凸起变形是目前急需解决的重要问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种步骤简单的金刚石颗粒增强的新型防弹材料的制备方法。首先将金刚石颗粒进行表面改性，将表面改性后的金刚石颗粒与环氧树脂胶混合，制得金刚石颗粒增强环氧树脂分散液。之后，将该分散液浸渍凯夫拉纤维布，通过模压的方式使之固化成型，从而制备出金刚石颗粒增强防弹复合材料。金刚石颗粒极高的硬度能够使弹丸减速、钝化甚至破碎，也可通过磨蚀作用极大地消耗弹丸的能量。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
将非离子型表面活性剂加入到溶剂水和/或乙醇中得到表面活性剂溶液，然后加入粒径为80nm～1μm的金刚石颗粒，得到含有金刚石颗粒的表面活性剂溶液，对所述含有金刚石颗粒的表面活性剂溶液超声处理1～8h后，真空抽滤，固体洗涤干燥后，得到表面改性的金刚石颗粒；
优选的，步骤一中所述溶剂为水和乙醇时，水和乙醇的体积比为1:1。
优选的，步骤一中所述的表面活性剂为曲拉通X-100。
优选的，步骤一中所述表面活性剂溶液的浓度为0.1～10mg/mL，所述金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为2～50mg:1mL。
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将所述表面改性的金刚石颗粒分散于丙酮中，加入环氧树脂，超声或搅拌下混合均匀，得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为0.5～2mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为1～10％，环氧树脂的质量分数为90～99％；
优选的，步骤二中超声功率为50～500W，时间为30min以上。
优选的，步骤二中搅拌速率为100～2000r/min，时间为30min以上。
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将所述金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入固化剂，进行超声分散，超声功率为50～500W，超声时间为5～20min，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的凯夫拉纤维布叠层铺放，置于模具中进行模压固化，模压温度为100～150℃，保温时间为0.5～2h，模压压力为5～10MPa，固化成型后可得金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为1～4:1。
优选的，步骤三中所述的固化剂为乙二胺。
优选的，步骤三中以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为60～90％，固化剂的质量分数为10～40％。
有益效果
本发明首先选择金刚石颗粒作为增强相，采用表面活性剂对其进行改性处理，然后将改性后的金刚石颗粒分散在环氧树脂中，通过控制分散条件保证颗粒在基体中的分散性，最后将凯夫拉纤维布浸渍分散液后模压固化成型，所述复合材料中金刚石颗粒通过对弹丸的减速、钝化、磨蚀甚至破碎作用显著提高复合材料的抗弹性能。与不添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维树脂基复合材料相比，本方法制备的金刚石颗粒增强复合材料抗弹性能得以提高，并显著降低材料的塑性变形。所述方法步骤简单，适用于大规模工业生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例和对比例中：
(1)抗弹性能测试参考军用国标GJB6228-2008。在表征抗弹性能时，采用防护系数(Em)作为性能参数。在所述材料靶板后方20mm处放置并固定厚度为20mm的6061铝合金板，使用的子弹为54式穿甲***。试验结束后，测量铝合金背板的残余穿深(L2)。此外，单独使用铝合金板作为防弹靶板，测量其平均穿深(L1)。用以下公式计算防护系数：
Em＝ρ1(L1-L2)/ρ2d
式中，ρ1和ρ2分别为铝合金靶板和复合材料靶板的密度，d为复合材料靶板的厚度。
(2)将所述材料依据ASTMD3763标准采用落锤冲击试验机进行抗低速冲击试验，试验后测量靶板的背凸高度。
对比例1
向环氧树脂(双酚A型环氧树脂)中加入乙二胺固化剂，超声分散5min，超声功率为50W，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的纤维布叠层10层铺放，置于模具中进行模压，模压温度为150℃，保温时间为2h，模压压力为10MPa，固化成型后得到一种凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料；其中，以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为80％，固化剂的质量分数为20％；环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为2:1。
经抗弹性能测试可得，所述凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料靶板的防护系数为0.48，背凸高度为6.5mm。
实施例1
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
选用非离子型表面活性剂曲拉通X-100作为表面改性剂，选用水和乙醇(体积比为1:1)作为溶剂，将曲拉通X-100加入溶剂中以配制浓度为2mg/mL的表面活性剂溶液，然后将质量中位粒径为200nm的金刚石颗粒加入表面活性剂溶液中超声1h，超声功率120W，真空抽滤，水洗，真空干燥12h后，制得表面改性后的金刚石颗粒；其中，金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为2mg:1mL。
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将步骤一制备的表面改性的金刚石颗粒分散于丙酮溶剂中，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂)，在超声的条件下混合30min，超声功率为50W，混合均匀后得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为0.5mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为1％，环氧树脂的质量分数为99％。
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将步骤二中的金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入乙二胺固化剂，超声分散5min，超声功率为50W，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的纤维布叠层10层铺放，置于模具中进行模压，模压温度为100℃，保温时间为0.5h，模压压力为5MPa，固化成型后得到一种金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为90％，固化剂的质量分数为10％；环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为1:1。
经抗弹性能测试，该实施例中制备的复合材料防护系数为0.56，较未对比例1中添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料提高了16.7％。
背凸高度为4.3mm，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料降低了33.85％。
实施例2
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
选用非离子型表面活性剂曲拉通X-100作为表面改性剂，选用水和乙醇(体积比为1:1)作为溶剂，将曲拉通X-100加入溶剂中以配制浓度为10mg/mL的表面活性剂溶液，然后将质量中位粒径为200nm的金刚石颗粒加入表面活性剂溶液中超声8h，超声功率120W，真空抽滤，水洗，真空干燥12h后制得表面改性后的金刚石颗粒；其中，金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为50mg:1mL。
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将步骤一制备的表面改性后的金刚石颗粒分散于丙酮溶剂中，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂)，在超声的条件下混合30min，超声功率为500W，混合均匀后得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为2mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为10％，环氧树脂的质量分数为90％。
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将步骤二中的金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入乙二胺固化剂，超声分散5min，超声功率为50W，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的纤维布叠层10层铺放，置于模具中进行模压，模压温度为150℃，保温时间为2h，模压压力为10MPa，固化成型后得到一种金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为60％，固化剂的质量分数为40％；环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为4:1。
经抗弹性能测试，该实施例中制备的复合材料防护系数为0.52，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料提高了8.33％。
背凸高度为4.9mm，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料降低了24.62％。
实施例3
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
选用非离子型表面活性剂曲拉通X-100作为表面改性剂，选用水和乙醇(体积比为1:1)作为溶剂，将曲拉通X-100加入溶剂中以配制浓度为5mg/mL的表面活性剂溶液，然后将质量中位粒径为200nm的金刚石颗粒加入表面活性剂溶液中超声4h，超声功率120W，真空抽滤，水洗，真空干燥12h后制得表面改性后的金刚石颗粒；其中，金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为20mg:1mL。
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将步骤一制备的表面改性后的金刚石颗粒分散于丙酮溶剂中，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂)，在搅拌的条件下混合30min，搅拌速率为100r/min，混合均匀后得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为1mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为3.2％，环氧树脂的质量分数为96.8％。
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将步骤二中的金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入乙二胺固化剂，超声分散5min，超声功率为50W，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的纤维布叠层10层铺放，置于模具中进行模压，模压温度为150℃，保温时间为2h，模压压力为10MPa，固化成型后得到一种金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为80％，固化剂的质量分数为20％；环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为2:1。
经抗弹性能测试，该实施例中制备的复合材料防护系数为0.55，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料提高了14.58％。
背凸高度为4.6mm，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料降低了29.23％。
实施例4
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
选用非离子型表面活性剂曲拉通X-100作为表面改性剂，选用水和乙醇(体积比为1:1)作为溶剂，将曲拉通X-100加入溶剂中以配置浓度为5mg/mL的表面活性剂溶液，然后将质量中位粒径为200nm的金刚石颗粒加入表面活性剂溶液中超声4h，超声功率120W，真空抽滤，水洗，真空干燥12h后制得表面改性后的金刚石颗粒；其中，金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为20mg:1mL。
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将步骤一制备的表面改性后的金刚石颗粒分散于丙酮溶剂中，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂)，在搅拌的条件下混合30min，搅拌速率为2000r/min，混合均匀后得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为1mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为2.5％，环氧树脂的质量分数为97.5％。
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将步骤二中的金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入乙二胺固化剂，超声分散5min，超声功率为50W，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的纤维布叠层10层铺放，置于模具中进行模压，模压温度为150℃，保温时间为2h，模压压力为10MPa，固化成型后得到一种金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为80％，固化剂的质量分数为20％；环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为2:1。
经抗弹性能测试，该实施例中制备的复合材料防护系数为0.54，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料提高了12.5％。
背凸高度为4.1mm，较对比例1中未添加金刚石颗粒的凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料降低了36.92％。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：金刚石颗粒的表面改性
将非离子型表面活性剂加入到溶剂水和/或乙醇中得到表面活性剂溶液，然后加入粒径为80nm～1μm的金刚石颗粒，得到含有金刚石颗粒的表面活性剂溶液，对所述含有金刚石颗粒的表面活性剂溶液超声处理1～8h后，真空抽滤，固体洗涤干燥后，得到表面改性的金刚石颗粒；
步骤二：金刚石颗粒增强环氧树脂分散液的制备
将所述表面改性的金刚石颗粒分散于丙酮中，加入环氧树脂，超声或搅拌下混合均匀，得到金刚石颗粒增强环氧树脂分散液；其中，所述表面改性的金刚石颗粒与丙酮的用量比为0.5～2mg:1mL；以丙酮和环氧树脂的总质量为100％计，丙酮的质量分数为1～10％，环氧树脂的质量分数为90～99％；
步骤三：金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备
将所述金刚石颗粒增强环氧树脂分散液进行真空干燥以去除丙酮，加入固化剂，进行超声分散，超声功率为50～500W，超声时间为5～20min，得到混合均匀的分散液，将凯夫拉纤维布浸渍在分散液中，将浸渍后的凯夫拉纤维布叠层铺放，置于模具中进行模压固化，模压温度为100～150℃，保温时间为0.5～2h，模压压力为5～10MPa，固化成型后得到一种金刚石颗粒增强防弹复合材料；其中，环氧树脂与凯夫拉纤维布的质量比为1～4:1。
2.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中所述溶剂为水和乙醇时，水和乙醇的体积比为1:1。
3.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中所述的表面活性剂为曲拉通X-100。
4.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中所述表面活性剂溶液的浓度为0.1～10mg/mL，所述金刚石颗粒与表面活性剂溶液的用量比为2～50mg:1mL。
5.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中超声功率为50～500W，时间为30min以上。
6.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中搅拌速率为100～2000r/min，时间为30min以上。
7.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的固化剂为乙二胺。
8.如权利要求1所述的一种金刚石颗粒增强防弹复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中以环氧树脂和固化剂的总质量为100％计，环氧树脂的质量分数为60～90％，固化剂的质量分数为10～40％。
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