CN114932735A - 一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法。所述防弹复合材料包括铺设于迎弹面的以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和铺设于背弹面的以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料。本发明通过将高强高模聚酰亚胺(PI)纤维铺设于迎弹面，高强高韧PI纤维铺设于背弹面，并通过热压将二者结合制备层压板，充分发挥了高强高模PI纤维应力波传输速率快和高强高韧PI纤维防弹效能高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法，属于防弹复合材料领域。
背景技术
当前防弹头盔、防弹衣所使用的防弹复合材料主要以高性能纤维增强树脂基复合材料为主。其中，纤维增强体的种类主要有芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。防弹复合材料的组成多由一种增强纤维与一种树脂基体构成，如芳纶纤维增强聚氨酯树脂防弹复合材料，这就导致复合材料中各层的力学性能完全相同。
有研究表明[孔春凤,田伟,翁浦莹,康凌峰,祝成炎.高性能纤维层叠复合材料的抗冲击性能研究[J].浙江理工大学学报(自然科学版),2016,35(03):367-371]，迎弹面纤维容易发生剪切破坏，背弹面纤维倾向于拉伸破坏，因此对迎弹面和背弹面进行差异化铺层结构设计可以有效提升复合材料的防弹效能。因此，有研究采用两种或两种以上纤维通过铺层组合设计制备防弹复合材料[孙杰,赵娟.纤维增强防弹复合材料的应用及研究现状[J].化纤与纺织技术,2021,50(01):7-11+53]，但其只利用了不同类型纤维在力学强度上的特性，如超高分子量聚乙烯纤维的高比强度和高比韧性，对位芳纶纤维的高强特性等，仅仅利用纤维的变形、断裂、脱粘来吸收能量。
防弹效能是能量吸收和能量扩散传播二者共同决定的，但现有技术在材料设计上未充分考虑到影响防弹效能的另一个因素，即应力波的传输速率。现有技术没有根据侵彻体的冲击作用和应力波传输特性进行组合设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种防弹复合材料及其制备方法。
本发明所提供的防弹复合材料，包括铺设于迎弹面的以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和铺设于背弹面的以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料。
所述高强高模纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s；
所述高强高韧纤维的拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数
式(1)为应力波传输速率公式；式(2)为防弹效能公式。其中，σ为纤维拉伸强度，ε为纤维断裂伸长率，ρ为纤维密度，E为纤维模量。
所述高强高模纤维可为PI纤维、PBO纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物，优选为PI纤维(拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s)，更优选为S30M及其以上规格PI纤维；
所述高强高韧纤维可为PI纤维、PBO纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物，优选为PI纤维(拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数
更优选为S35及其以上规格PI纤维；
所述增强体结构为单向布(UD布)或织物；
所述热塑性树脂为聚氨酯和/或聚乙烯醇缩丁醛及其改性树脂。
本发明还提供一种制备上述防弹复合材料的方法。
本发明所提供的制备所述防弹复合材料的方法，包括如下步骤：
1)分别制备以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料；
2)层合板铺层：将多层以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料铺设在一起作为迎弹面，将多层以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料铺设在一起作为背弹面，形成层压板；
3)将所得层合板置于模具中，热压成型，即得；
上述方法步骤1)中，所述增强体的结构为纤维UD布，纤维UD布的面密度约为100g/m2；
步骤2)中，根据模量匹配设计需要以[0°/90°]正交铺层结构设计；
上述方法步骤3)中，所述热压成型的温度可为100-150℃，优选为125-135℃，更优选为128℃，热压成型压力可为0.5-5MPa，优选为0.5-2MPa，更优选为1MPa，保温时间可为5-50min，优选为20-40min，更优选为30min。
纤维的拉伸变形、断裂是复合材料防弹靶板的主要吸能方式，而此吸能方式的大小取决于两个方面：一是纤维吸收能量的能力。由Cunnif吸能经验公式[MIAO M.Dynamicmodulus and strain wave velocity in ballistic fibre strands[J].Journal ofMaterials Science,2016,51(12):5939-47]可以比较不同纤维本身的吸能能力，一般来说，纤维拉伸强度越大，断裂伸长率越高，吸能效果就越好。因此，防弹复合材料需要使用高性能纤维。二是参与能量吸收的纤维数量。子弹接触靶板，直接接触子弹的纤维纱线为主纱，其它纱线为次纱。主纱直接吸能但占比较小，而次纱占比大，但次纱需要应力波传输才能参与吸能。应力波传输速率取决于纤维的密度和模量，密度越小，模量越大，则应力波传输越快。本发明将应力波传输和纤维吸能能力同时考虑，使用高强高韧纤维吸能，使用高强高模纤维传输应力波，二者的良好匹配，使复合材料充分发挥防弹能力。
在能量的吸收方面，现有技术已有较多研究。本发明着重解决现有技术在复合材料设计上未充分考虑到能量传播扩散的问题，能量扩散的越快，靶板表面能够参与能量吸收的纱线也就越多，因此这样设计的复合材料会具有更高的比吸收能。
本发明通过将高强高模PI纤维铺设于迎弹面，高强高韧PI纤维铺设于背弹面，并通过热压将二者结合制备层压板，充分发挥了高强高模PI纤维应力波传输速率快和高强高韧PI纤维防弹效能高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1中I号、Ⅱ号、Ⅲ号和IV号靶板铺层结构示意图。
图2为靶板厚度方向微纳米焦点CT扫描切片图，箭头方向为子弹射击方向，其中a1、a2、a3，a4中以高强高模PI纤维作为迎弹面，b1、b2、b3、b4中以高强高韧PI纤维作为迎弹面。
图3为靶板迎弹面微纳米焦点CT扫描孔隙分布图。(a)中以高强高模PI纤维作为迎弹面，(b)中以高强高韧PI纤维作为迎弹面
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在本实施例中，高强高模PI纤维选用S30M型(拉伸强度3.1GPa，模量164GPa，断裂伸长率2.1％，密度1.44g/cm3，由式(1)算得应力波波速C为10691m/s)，高强高韧PI纤维选用S35型(拉伸强度3.5GPa，模量123GPa，断裂伸长率3.2％，密度1.44g/cm3，由式(2)算得防弹效能
为712m/s)。
含模量匹配设计的复合材料防弹靶板制备方法，包括如下步骤：
a、制备纤维UD布
使用缠绕机将浸渍聚氨酯后的S30M型纤维/S35型纤维均匀平行排列在支撑膜上，制备S30M型纤维UD布/S35型纤维UD布，面密度约为100g/m2；
b、裁剪样片
将上步所制备的UD布裁剪为300×300mm的样片；
c、层合板铺层
根据模量匹配设计需要进行[0°/90°]正交铺层结构设计(即，每层和每层之间的角度是90°)，如图1所示。I号：铺设60层S35型纤维UD布；Ⅱ号：铺设60层S30M型纤维UD布；Ⅲ号和IV号：12层S30M型纤维UD布加48层S35型纤维UD布，其中Ⅲ号样采用S30M型纤维UD布侧作为迎弹面，IV号样采用S35型纤维UD布侧作为迎弹面。
d、层合板热压
分别将I号、Ⅱ号、Ⅲ号和IV号层合板置于模具中，在热压机中热压成型，热压成型温度为128℃热压成型压力为1MPa，保温时间30min。
表1为实施例1制备的靶板打靶测试效果
从表1中数据可以看出：I号靶板的防弹性能优于Ⅱ号靶板。这是由于S35型纤维的拉伸强度和断裂伸长率均高于S30M纤维，根据Cunniff防弹效能经验公式，S35纤维防弹效能高于S30M。经过模量匹配设计之后，Ⅲ号靶板的防弹效能高于I号靶板，这是由于Ⅲ靶板在迎弹面铺设部分S30M型高强高模PI纤维，使得子弹接触靶板时，应力波传输速度快，能量在靶板平面范围内快速扩散，增加了次级纱线参与吸能的数量。同时背弹面的高强高韧S35型PI纤维可以起到很好的吸能作用，使得V50值和SEA值较纯S35纤维靶板和S30M纤维靶板均有显著提高。但是，当迎弹面采用S35型纤维，背弹面采用S30M型纤维时(IV号样板)，其防弹效果又明显降低，仅略高于纯S30M型纤维靶板(Ⅱ号样板)，两种纤维都没有充分发挥出各自的作用。
图2为靶板厚度方向微纳米焦点CT扫描切片图。靶板制备方法同实施例1，其中a1、a2、a3、a4为高强高模纤维迎弹，具体制备方法参考实施例1中Ⅲ号靶板；b1、b2、b3、b4为高强高韧纤维迎弹，具体制备方法参考实施例1中IV号靶板。
从图2中可以看出，当高强高模型PI纤维在迎弹面时，靶板的分层呈扇面状展开，表现出较多的分层现象；当高强高韧PI纤维在迎弹面时，靶板的分层呈菱形，分层面积明显减少，吸能作用也有所降低。更值得注意的是，当迎弹面为高强高模PI纤维时，在背弹面一侧的纤维出现了大量的变形和断裂现象，表明有足够的纤维参与能量吸收，因此防弹效能更高。
图3为靶板迎弹面微纳米焦点CT扫描孔隙分布图。靶板制备方法同实施例1，其中(a)为高强高模纤维迎弹，具体制备方法参考实施例1中Ⅲ号靶板；(b)为高强高韧纤维迎弹，具体制备方法参考实施例1中IV号靶板
从图3可以看出，当高强高模PI纤维在迎弹面时，靶板分层以弹着点为中心，呈放射状向四周扩散；当高强高韧PI纤维在迎弹面时，靶板分层以弹着点为中心，沿主纱纤维方向，呈现出“十”字状的分层形貌。前者受到子弹侵彻时损伤面积更大，表明有更多的纤维和树脂参与能量吸收。
通过V50测试、微纳米焦点CT扫描，都证明了本方案所提出的模量匹配设计方案：高强高模PI纤维铺设于迎弹面一侧，高强高韧PI纤维铺设于背弹面一侧，能够充分发挥出二者的性能优势，即高强高模纤维有利于传输能量，高强高韧纤维有利于吸收能量。二者的良好匹配，对比其它铺层结构设计，本方案具有更高的SEA值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种防弹复合材料，包括铺设于迎弹面的以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和铺设于背弹面的以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料。
2.根据权利要求1所述的防弹复合材料，其特征在于：所述高强高模纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s；
所述高强高韧纤维的拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数
式(1)为应力波传输速率公式；式(2)为防弹效能公式；其中，σ为纤维拉伸强度，ε为纤维断裂伸长率，ρ为纤维密度，E为纤维模量。
3.根据权利要求1或2所述的防弹复合材料，其特征在于：所述高强高模纤维为聚酰亚胺(PI)纤维、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物；
所述高强高韧纤维为PI纤维、PBO纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物；
所述增强体结构为单向(UD)布或织物；
所述热塑性树脂为聚氨酯和/或聚乙烯醇缩丁醛及其改性树脂。
4.根据权利要求3所述的防弹复合材料，其特征在于：所述高强高模纤维为高强高模PI纤维，拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s；
所述高强高韧纤维为高强高韧PI纤维，拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数
5.制备权利要求1-4中任一项所述防弹复合材料方法，包括如下步骤：
1)分别制备以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料；
2)层合板铺层：将多层以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料铺设在一起作为迎弹面，将多层以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料铺设在一起作为背弹面，形成层压板；
3)将所得层合板置于模具中，热压成型，即得。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述增强体的结构为纤维UD布，纤维UD布的面密度约为100g/m2。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤2)中，以[0°/90°]正交铺层结构设计。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述热压成型的温度为100-150℃，热压成型压力为0.5-5MPa，保温时间为5-50min。
9.权利要求1-4中任一项所述防弹复合材料用于制备头盔、防弹衣、防弹板。
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