树脂基厚向混杂防弹复合材料的制备及侵彻机理研究

【摘要】防弹复合材料是一种能够有效吸收高速弹体冲击能量的功能性复合材料，其设计和制备目标是达到最大的面密度吸能。高性能纤维增强树脂基复合材料由于具有重量轻、防弹性能优异等优点，被广泛应用于个体防护、装甲设计和防护工程等领域，其能量吸收能力与纤维的种类、铺层顺序、铺层角度以及树脂的种类、含量等因素有关。不同种类的高性能纤维具有不同的力学性能各向异性，而防弹复合材料在受到弹体冲击时存在不同程度的厚度效应，如何结合弹体冲击过程的特点和不同高性能纤维的优点，进一步提高复合材料的防弹能力是当前研究和制备防弹复合材料的一个重要研究对象。本文以三种高性能纤维织物（芳纶、玻璃、碳纤维织物）为增强材料、热塑性聚酰胺6树脂为基体，制备单一织物增强和厚度方向混杂复合材料，以弹道极限速度为评价标准，研究成型工艺、树脂含量、铺层顺序和混杂比例等因素对复合材料能量吸收能力的影响，并采用实验和数值分析相结合的方法，对复合材料的防弹机理进行分析。首先，开展了三种高性能织物（芳纶、玻璃、碳纤维织物）增强复合材料的层压成型条件优化，包括成型温度、压力、时间，主要通过弹道冲击实验，以弹道极限速度、冲击吸能和弹道性能指数作为评价标准，得到使材料防弹性能达到最好时的工艺参数：成型温度115℃，成型压力7.5MPa，成型时间20min。同时得到三种复合材料的防弹能力从强到弱依次为芳纶、玻璃、碳纤维增强复合材料。然后在此基础上，制作单一高性能织物增强、不同树脂含量的复合材料，并进行弹道冲击实验，对复合材料的树脂含量进行优化，最终结果显示：树脂含量在20％左右时，三种复合材料的防弹性能同时达到最佳。其次，在最佳工艺条件及树脂含量下，将三种高性能织物分成有机纤维织物（芳纶纤维）和无机纤维织物（玻璃、碳纤维），然后按照不同的铺层顺序制作三种高性能织物的厚向混杂防弹复合材料，并通过弹道冲击测试，对混杂复合材料的结构进行优化。其结果显示：与芳纶增强复合材料相比，S4K5的V50提高了10.4%，达到254.71m/s；C2K5提高了3.9%，达到239.21m/s；C2S2K3达到257.30m/s，提高了11.7%。这说明无机纤维织物在前作为着弹面、有机纤维织物在后作为背弹面制作复合材料具有更好的防弹性能；同时，混杂复合材料因在不同位置放置不同吸能特征的高性能纤维织物，可以最大化地发挥织物的力学性能、吸收更多的弹体冲击动能。最后，以材料力学作为指导，测试材料的各项力学性能参数，构建复合材料的各向异性数值分析模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其弹道冲击过程进行模拟，并分析复合材料各部分破坏吸能机理，将其结果与实验结果进行对比，进一步证明厚向混杂方式能够提高复合材料的防弹性能。
【作者】柴晓明；
【导师】张华鹏；
【作者基本信息】浙江理工大学，纺织材料与纺织品设计，2014，硕士
【关键词】混杂复合材料；树脂含量；铺层顺序；弹道极限速度；弹道性能指数；

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