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        三維正交機(jī)織復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的防彈性能分析研究

        2022-09-16 11:15:02劉元坤李年華陳虹艾青松姜聯(lián)東
        高科技纖維與應(yīng)用 2022年3期
        關(guān)鍵詞:層壓靶板彈體

        劉元坤,李年華,陳虹,艾青松,姜聯(lián)東

        (1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074;2.北京航天航天雷特機(jī)電工程有限公司,北京 100074)

        0 引言

        個(gè)體防護(hù)裝備是為執(zhí)行特殊任務(wù)的軍警人員提供生命防護(hù)的具有特定功能的組合裝備[1-4]。在國際形勢風(fēng)云變幻的時(shí)代背景下,個(gè)體防護(hù)裝備的發(fā)展日新月異,目前防彈類的個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品主要有防彈衣、防彈頭盔、防彈插板、防彈盾牌以及防彈裝甲等[5-6]。為了更好地發(fā)展個(gè)體防護(hù)裝備以適應(yīng)任務(wù)執(zhí)行人員的實(shí)際需求,高防護(hù)性能必不可少,新材料的開發(fā)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是防彈裝備未來發(fā)展的重要方向[7-9]。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 主要原材料和設(shè)備

        根據(jù)試驗(yàn)原料進(jìn)行防彈靶板的制備,所用原料信息見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)原料信息

        主要試驗(yàn)設(shè)備:劍桿織機(jī),由上海東華大學(xué)紡織學(xué)院自行改造的劍桿織機(jī);真空設(shè)備以及附件,包括真空泵、真空鍋、真空膜和導(dǎo)流管等。

        1.2 防彈復(fù)合材料的制備

        以不飽和樹脂(乙烯基樹脂)為基體,通過真空輔助樹脂傳遞模壓法進(jìn)行復(fù)合材料的制備。具體制備過程為:

        (1)纖維織物織造,并將纖維織物填充在密封的模腔中。

        (2)利用真空壓力使液態(tài)樹脂注入模腔浸潤纖維,并用真空膜封住上表面。

        (3)固化成型得到最后產(chǎn)品。

        真空輔助樹脂傳遞模壓法復(fù)合材料成型工藝如圖1所示。將成型后的三維正交機(jī)織復(fù)合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm,厚度為1.5 cm;玄武巖纖維層壓復(fù)合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm,厚度為0.5 cm。

        圖1 真空輔助樹脂傳遞模壓法復(fù)合材料成型工藝圖

        1.3 彈道實(shí)驗(yàn)測試

        彈道實(shí)驗(yàn)是在中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所彈道實(shí)驗(yàn)室完成,靶前測速點(diǎn)距靶板距離3.4 m,彈體垂直于靶體平面貫穿復(fù)合材料靶板。彈體是56式7.62 mm鋼芯穿甲燃燒彈,質(zhì)量是7.69 g,直徑是7.62 mm,子彈的速度通過裝藥量加以控制和改變。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 彈道測試結(jié)果

        對(duì)制備所得三維正交機(jī)織復(fù)合材料和玄武巖纖維層壓復(fù)合材料防彈靶體分別進(jìn)行5次鋼芯彈的實(shí)彈沖擊試驗(yàn)。彈體的速度為300~800 m/s,彈速通過調(diào)整彈藥量進(jìn)行控制。

        測試發(fā)現(xiàn)子彈穿出復(fù)合材料靶體后基本沒有變形,忽略子彈的變形和散失的熱量,認(rèn)為子彈動(dòng)能的損失就是復(fù)合材料靶體所吸收的能量。子彈的動(dòng)能損失計(jì)算公式如下:

        (1)

        其中,mp為子彈的質(zhì)量(kg),Vs為子彈的入射速度,Vr為子彈穿靶后的剩余速度。

        根據(jù)打靶測試得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料防彈靶板的入射速度—剩余速度曲線如圖2所示。

        圖2 入射速度—剩余速度曲線

        根據(jù)靶板入射速度—剩余速度曲線關(guān)系得到彈道測試的靶前速度和靶后速度,并通過式(1)計(jì)算得到彈體穿透靶板過程中的動(dòng)能損失,進(jìn)而得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果。

        三維正交復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果見表2。

        表2 三維正交復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果

        玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果見表3。

        表3 玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測試結(jié)果

        2.2 彈道防護(hù)性能衡量指標(biāo)

        2.2.1 總能量吸收(Ea)

        根據(jù)能量守恒,靶板的總能量吸收值即彈體在穿透靶板過程中的能量損失值,即Ea=Ek。

        (2)

        2.2.2 比吸能值

        比吸能值即靶板單位面密度上的能量吸收值,是評(píng)估材料防彈性能的一個(gè)重要指標(biāo)。它是靶板吸收能量與靶板面密度之比,其數(shù)值的大小代表著材料防彈性能的好壞[10]。比吸能計(jì)算公式如下:

        BPI=Ea/AD

        (3)

        式中:AD——靶板的面密度。

        2.2.3 靶板單位厚度的能量吸收Eh

        假設(shè)彈體吸收的能量都是被靶板吸收,靶板吸收的能量全部被厚度方向上的材料吸收所得出的相應(yīng)的理論計(jì)算值。計(jì)算公式如下:

        Eh=Ea/h

        (4)

        式中:h——靶板的厚度。

        2.2.4 彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果

        根據(jù)彈道測試結(jié)果,并通過各項(xiàng)彈道防護(hù)性能衡量指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)一步計(jì)算得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果。

        三維正交復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果見表4。

        表4 三維正交復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果

        玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果見表5。

        表5 玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測試結(jié)果

        2.3 結(jié)果分析與討論

        2.3.1 纖維復(fù)合材料防彈機(jī)理

        傳統(tǒng)的彈道理論認(rèn)為[11-14],織物對(duì)彈體的抗沖擊性是因?yàn)榭椢镂樟藦楏w沖擊的動(dòng)能。彈體沖擊靶板后將產(chǎn)生應(yīng)力波,應(yīng)力波沿著纖維的軸向傳播,能量吸收速率是波速的函數(shù),而波速根據(jù)單紗法向彈道沖擊理論,子彈法向沖擊紗線時(shí),縱波波速:

        (7)

        其中E為高應(yīng)變率下的彈性模量,ρ為紗線體積密度。

        由此得出,要產(chǎn)生較高的波動(dòng)速率,需要纖維有較高的模量。但并不是纖維的模量越高就越好,模量的不斷提高會(huì)逐漸增強(qiáng)纖維的脆性,最終降低對(duì)應(yīng)變能量的吸收。玄武巖纖維的模量遠(yuǎn)高于芳綸和玻璃纖維,在彈體沖擊的過程中不能及時(shí)進(jìn)行能量的傳遞、吸收和釋放,使得玄武巖纖維層壓復(fù)合材料靶板的各項(xiàng)彈道性能指標(biāo)均低于三維正交機(jī)織復(fù)合材料[15-18]。因此,防彈材料除了具有一定的模量之外,還要有較好的延伸率、斷裂韌性、高比強(qiáng)度,并且能在高應(yīng)變率下保持好的性能。

        防彈材料由傳統(tǒng)金屬材料不斷向纖維發(fā)展的重要原因不僅在于輕量化,還因纖維材料對(duì)于能量的吸收和緩沖效果也十分優(yōu)異。纖維受到?jīng)_擊時(shí),若纖維的縱軸向垂直于彈體的入射方向,則纖維受沖擊載荷的瞬間產(chǎn)生的壓力波沿纖維縱軸向傳播,達(dá)到纖維的末端后又變?yōu)槔觳ǚ瓷浠貋?。此時(shí),拉伸波沿著軸向向彈著點(diǎn)移動(dòng),從而帶動(dòng)同一方向上物質(zhì)流動(dòng),纖維所受的拉應(yīng)變的大小是跟沖擊速度相關(guān)的,并且連續(xù)來回反射的應(yīng)力波擴(kuò)大了拉應(yīng)變,拉應(yīng)變增大就增加纖維對(duì)能量的吸收值。此外,纖維受沖擊時(shí),應(yīng)力波還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿著軸向垂直方向的傳播,其運(yùn)動(dòng)方向和彈體的前進(jìn)方向一致,沿著纖維的橫向傳播,橫向波產(chǎn)生的應(yīng)變超過纖維的屈服點(diǎn)就會(huì)使纖維產(chǎn)生斷裂破壞。纖維斷裂后發(fā)生原纖化,原纖化作用進(jìn)一步消耗彈體的能量。如果彈體仍具有多余的動(dòng)能,則進(jìn)一步發(fā)生侵徹直至彈體動(dòng)能完全被消耗掉。若靶板較薄,則它被彈體穿透。

        2.3.2 不同紡織結(jié)構(gòu)形式對(duì)防彈性能的影響

        根據(jù)表2和表3的彈道測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)三維正交機(jī)織復(fù)合材料的能量吸收值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玄武巖纖維層壓復(fù)合材料,二者不同的織物空間結(jié)構(gòu)是其中重要的影響因素[19-21]。

        三維正交機(jī)織物經(jīng)向和緯向紗束在平面內(nèi)垂直交織或排列,以提供復(fù)合材料的面內(nèi)性能,而貫穿于結(jié)構(gòu)厚度方向上的Z向接結(jié)紗束則提供材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于厚度方向上增強(qiáng)纖維的存在,將增加復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度,減少分層現(xiàn)象,提高織物的抗沖擊性能以及彎曲疲勞性能。三維正交機(jī)織物的理想結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。經(jīng)紗、緯紗和Z向紗三個(gè)系統(tǒng)上的紗線均相互兩兩垂直,各個(gè)紗線之間沒有任何的纏結(jié)和卷曲,經(jīng)向和緯向紗線在平面內(nèi)成垂直排列,而層壓復(fù)合材料由于織物組織使得經(jīng)緯向纖維相互交織,限制了纖維束的側(cè)向移動(dòng)能力[22,23]。因此,在高速?zèng)_擊下,層壓復(fù)合材料的防彈性不如三維正交立體結(jié)構(gòu),主要在于層壓復(fù)合材料不能夠提供更大的抗彎剛度,在厚度方向上也沒有維持面與面之間的聯(lián)結(jié)力,導(dǎo)致厚度方向上的彎曲變形撓度大,更容易產(chǎn)生變形破壞。盡管層壓到一定程度后,復(fù)合材料有一定的厚度,但是這個(gè)厚度和三維立體結(jié)構(gòu)的厚度不同,因?yàn)槿S立體在厚度上一個(gè)整體,而層壓復(fù)合材料是層壓形成的,在受到高速?zèng)_擊的彈體時(shí),束縛的結(jié)構(gòu)不利于應(yīng)力波的來回傳播,從而降低了它的防彈性能。

        圖3 三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)示意圖

        2.3.3 樹脂基體對(duì)防彈性能的影響

        復(fù)合材料的防彈機(jī)理以及吸能機(jī)制與傳統(tǒng)防彈材料的存在著很大區(qū)別,主要在于復(fù)合材料中引入了基體,而基體必須能與纖維一同伸長、斷裂,才能使復(fù)合材料最大限度地吸收彈體的沖擊能量。因此,基體必須具有較高的斷裂延伸率,還必須具有一定的阻燃性能。因?yàn)槲漳芰康倪^程,也是材料溫度升高的過程,所以基體材料的選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及制備工藝技術(shù)等對(duì)復(fù)合材料的防彈性能影響很大。

        對(duì)于抗高速?zèng)_擊的防彈復(fù)合材料,樹脂基體的選擇以及配比工藝顯得尤為重要。樹脂基體不同,能量吸收能力是不一樣的,并且差別很大。樹脂基體在復(fù)合材料中所起的作用,主要有三個(gè)[24-28]:

        (1)粘結(jié)原料:將纖維粘結(jié)在一起,使復(fù)合材料作為一個(gè)整體承受外部載荷。

        (2)反射應(yīng)力波:將能量由上表面?zhèn)鬟f至下表面、從最前端傳遞到最末端,起到反射應(yīng)力波的作用。

        (3)能量吸收:基體在高速?zèng)_擊下產(chǎn)生裂紋,并且沿著平面擴(kuò)展,從而吸收部分的能量。

        另外,在其他因素一定的情況下,隨著復(fù)合材料樹脂基體厚度的增加,材料的沖擊防護(hù)能力也隨著增強(qiáng),沖擊阻抗也就隨之提高。

        3 結(jié)語

        本研究制備得到三維正交機(jī)織復(fù)合材料和玄武巖纖維層壓復(fù)合材料,纖維復(fù)合防彈材料能夠很好傳遞和釋放彈體沖擊動(dòng)能。其中,三維正交機(jī)織復(fù)合材料的能量吸收值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玄武巖纖維層壓復(fù)合材料,其貫穿于結(jié)構(gòu)厚度方向上的Z向紗束為防彈復(fù)合材料提供了整體穩(wěn)定性,增加了層間剪切強(qiáng)度,減少了分層現(xiàn)象,同時(shí)具備更大的抗彎剛度,因此防彈性能更加優(yōu)異。

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