陈磊;徐志伟;李嘉禄;张刘飞;陈利;吴晓青;孙颖;陈光伟
【摘 要】探讨了弹块与防弹复合材料的作用机理,分析弹块在侵彻过程中复合材料吸能方式和破坏模式的变化,提出了防弹复合材料的结构设计概念.分别研究了单根纤维性能、织物结构、树脂性能、基体含量和复合材料界面粘接强度等因素对防弹性能的影响,并指出目前存在的不足,以期为今后防弹复合材料的结构设计提供借鉴. 【期刊名称】《材料工程》
【年(卷),期】2010(000)011
【总页数】7页(P94-100)
【关键词】防弹复合材料;结构设计;破坏模式;织物结构;界面
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【作 者】陈磊;徐志伟;李嘉禄;张刘飞;陈利;吴晓青;孙颖;陈光伟
【作者单位】天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;江阴出入境检验检疫局,江苏,江阴,214400;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160;天津工业大学,复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津,300160
【正文语种】中 文
【中图分类】TB332
20世纪70年代以来,复合材料开始在防护过程中大量使用。纤维增强复合材料由于具有轻质高强和高冲击损伤容限等优点,在航空航天、人体、车辆以及舰船重要舱室等防护领域受到了研究人员的青睐,并得到了越来越广泛的应用[1,2]。
子弹与复合材料作用过程中发生侵彻,表现出了多种不同的破坏模式,如纤维的拉伸断裂、层合板的分层、纤维和树脂的脱粘及材料产生的背凸等。弹体动能就是在这些破坏中被逐渐消耗,从而达到了防弹的效果。本文针对弹道冲击下子弹与复合材料的作用机理和破坏模式展开了分析,并根据子弹与复合材料在不同阶段的作用机理对当前国内外防弹复合材料的结构设计进行了研究。此外,影响复合材料防弹性能的因素很多,其中主要包括增强体、基体、界面和梯度结构等因素。对此,本文探讨了包括天然纤维在内的纤维种类、织物组织结构、面密度、基体的性能、含量、纤维与树脂间界面性能以及梯度结构设计等因素对防弹性能的影响。
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应力波是应力和应变扰动的传播形式,在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度和相应的应力、应变状态的变化。在弹道冲击中,子弹与靶板接触的瞬间产生的应力波以两个方向传播,一是以连续的脉冲沿纤维的轴向传播,受到冲击的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用,应力波在很多纤维上扩散开来;二是应力波的沿靶板纵向传播,应力波在靶板的织物和基体界面及靶板自由面之间产生连续反射,使压力变成拉应力。
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高频变压器参数研究发现,应力波在两种不同的材料中传播时,当传至两种材料的界面会产生入射波和反射波
[3],而且应力波在产生塑性变形的材料中的传递较在弹性变形材料中的传递规则许多[4]。应力波在纤维中传播速度主要取决于纤维的杨氏模量[5]及其在复合材料中的状态。一般,材料的模量越高,质量越低,应力波传播的速度越快。关于纤维形态对应力波传播速度的影响,陈利民[6]通过对 Kevlar-29和尼龙66织物研究,认为织物中的纤维若存在交迭点或绉缩会使应力波产生反射,影响应力波在其中传播(如图1)。表1为应力波在几种自由纤维(皱缩率为0%的纤维)和织物中的传播速度,从表中可以看出,纤维模量越高,应力波的传播速度就越快,自由纤维传播应力波的能力明显高于经向纤维和纬向纤维。因此,在防弹复合材料的设计中,需兼顾纤维的力学性能及纤维在织物中的状态。
防弹复合材料吸能方式主要包括[8]:纤维的变形、纤维的拉伸断裂、分层、基体开裂、材料的剪切破坏、弹体与复合材料的摩擦和“背凸”的形成等。吸能较多的为材料的分层、纤维的拉伸断裂及基体开裂,其他方式则相对较少。其中材料的分层主要取决于复合材料的结构设计,纤维的断裂主要取决于纤维强度,而基体的开裂主要取决于所选基体的性能。
评价靶板防弹性能的国际通用指标是弹道极限速度V50,它是指针对一定质量的弹块在该速度下(入射方向不变)穿透给定系统靶板的概率为50%[9]。在防弹过程中,复合材料的破坏模
式有多种,主要有纤维剪切和拉伸破坏,层合板的分层等。当弹丸开始作用于复合材料时,由于弹丸产生的压缩应力,织物产生了变形。随着子弹的侵彻,材料变形越为严重,紧随着的是分层现象的产生。当子弹从材料背面穿过时,背部形成较大的鼓包并伴有原纤化的现象产生,弹体进入一侧,弹孔基本为圆形,孔内呈现整齐的纤维断头,而弹体射出面无明显弹孔,有长短不一的纤维抽脱,靶板面部鼓包较小,纤维的断裂方式主要为拉伸断裂。若弹体未能穿透靶板,弹孔周围形成明显的“+”,靶板背面出现较大的鼓包,靶板内部出现分层。而且若靶板增强织物为单向或平纹织物,在弹体射出一侧,靶板的最外层被撕起一些小窄条,撕起和脱落窄条数量与弹体的冲击速度和弹体的质量有关[10]。
步进梁式加热炉在防弹复合材料中,作为增强体的高性能纤维主要包括高强聚乙烯纤维(U HMWPE)、芳纶纤维、炭纤维和玻璃纤维。U HMWPE[11]的优越性能是由于它的超分子结构决定的,其传播应力波的速度相当于芳纶纤维的两倍[12]。但U HMWPE纤维在高温下使用强度低,其惰性的分子链就很难与通用的树脂基体粘接形成性能优良的复合材料。为提高U HMWPE性能,Della[13]等采用碳纳米管来增强U HMWPE纤维以提高其防弹性能。此外,射线等外界因素也间接影响着纤维的防弹性能,Alves[14]通过加速实验发现250kGy的γ射线辐射后U HMWPE由韧性向脆性的转换,从而影响其防弹性能。芳纶纤维的化学键主要由芳环构成,这
种芳环刚性高,使聚合物链呈伸展状态,形成棒状结构,因而纤维具有高模量,并且具有极强的韧性。但芳纶纤维是一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构,所以其横向强度低、压缩和剪切性能差且易劈裂[15]。玻璃纤维由于韧性较低,在防弹复合材料中一般用于层合板的夹层,炭纤维则因为其较低的压缩强度[16]限制了它在弹道性能方面的应用。
研究表明[17],U HMWPE单位质量能量吸收是29.9kJ/kg,炭纤维为63.5kJ/kg。与编织的芳纶/环氧复合材料相比,编织炭纤维布/环氧树脂复合材料具有较高的能量吸收能力,因此混合脆性的炭纤维与韧性的高性能聚乙烯纤维,能使结构冲击后保持了完整性及稳定性,但能量吸收能力有所下降。张佐光[18]等人通过对不同面密度的玻纤复合材料靶板、芳纶复合材料靶板以及Dyneema UD66复合材料靶板进行了靶试,发现这三种复合材料的吸能都随面密度的增加而增加,但增加速度不同,芳纶纤维和高强聚乙烯纤维明显优于玻璃纤维。
除了高性能纤维外,天然纤维在防弹领域的应用也逐渐受到人们的重视。Wambua[19]等人曾对黄麻、亚麻、织物增强聚丙烯的复合材料防弹性能进行研究,结果发现亚麻织物增强聚丙烯复合材料的防弹性能竟高于纯金属钢板,但黄麻和织物防弹复合材料的防弹性能稍逊于纯金属钢板。
Roylance等[20]指出,除了纤维的性能之外,织物的组织对材料的防弹性能同样有着很大的影响。Karahan[21]等认为,对于机织物,由于交织的作用,纱线必定存在弯曲,当织物表面受到冲击作用的时候,作用力就会产生水平方向以及垂直方向的分量Fx和Fy(如图2所示),这会导致纱线之间相对滑移严重,产生更大创伤。rbd506
自由纤维在拉伸载荷下,受力状态比较简单,仅受到单纯的正应力,而织物中的纤维不仅受到正应力,还受到了横向的拉应力(如图3所示)。图中,纤维截面上的拉应力σt=P/(πd2/4)=4P/(πd2),弯曲力矩M=Pd/2,弯曲截面模量Wz=πd3/32,弯曲应力σb=M/Wz=(Pd/2)/(πd3/32)=16P/πd2=4σt,应力之和σ=σb+σt=5σt(式中P——拉力 ,d——纤维直径)。可见此时,产生的合应力是拉应力的5倍。因此,相对于自由纤维,织物中的纤维更容易产生断裂。
由图3中可以看出,应力波在纤维中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[22]及梁子青[23]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[24]认为炭纤维/环氧层合板弹道极限速度V50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[25-27]。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。
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[28]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[29]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。Baucom[30]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;③气孔给予了其中的纤维更大的可挠曲空间。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[31],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,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,Flanagan[32]认为,U HMWPE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[33]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[34]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[35]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。
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