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芳纶纤维等抗弹材料的研究进展

来源:     时间:2020-11-06 点击数:

        当前,世界各国都在不断研发和优化各类新型抗弹材料,以增强车辆和单兵的弹道防护性能。高性能纤维复合材料具

有轻质、高强、抗弹性能优异等特点,是研究最多、市场发展最快和最有前途的抗弹材料。以美国为代表的军事发达国家

特别关注高性能抗弹纤维及其复合材料的发展,美国陆军研究实验室等国防科研机构和受国防部资助的大学近些年开展了

大量研究工作。本文主要介绍玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维和PBO纤维在国外的研发、应用现状

与性能水平。


              


        1.芳纶纤维

        芳纶纤维具有高比强度、高断裂伸长率的特点,在相同面密度情况下,芳纶/树脂复合材料的抗弹能力是玻璃纤维/树

脂复合材料的2~3倍,在很多领域可全面替代玻璃纤维/树脂复合材料。

美国克莱姆森大学联合陆军研究实验室等机构采用传统有限元法对抗弹纤维毡进行数值分析,用以确定材料的穿透阻力和

对冲击的整体挠曲、变形、破坏响应。该团队的研究人员等还进一步对平织纤维增强的聚合物基复合材料的弹道冲击/爆炸

防护计算分析模型进行了优化升级。2014年,又研究了PPTA(聚对苯二甲酰对苯二胺)基材料微结构/性能的关系,开发

出多长度尺度计算方法,来确定不同尺度上各种微结构特征对PPTA基毡布或PPTA纤维增强的聚合物基复合材料的宏观弹

道抗侵彻性能的影响。

意大利卡西诺和南拉齐奥大学等将平纹织毡与热固性树脂复合制成层压材料,并对制备的复合装甲进行了Walker数值模型

预测和弹道性能测试。美国陆军研究实验室等以扁平条带状透明尼龙单丝为增强体,以与之折射率相匹配的透明环氧树脂

为基体制备出一种透光率约为40%的复合材料,并对材料进行弹道实验,所得材料V50值大于305m/s,远高于环氧树脂和

聚碳酸酯。

        美国桑迪亚国家实验室研究了加捻(twist)对抗弹纤维纱横向冲击性能的影响,并利用高速摄像机测量了由冲击引

发的欧拉横波速度。结果表明,欧拉横波速度随纤维纱加捻数量的提高而提高,意味着更高的弹道性能。因此,在抗弹纤

维毡中使用加捻的纤维纱能提升材料的弹道性能。研究了磁场对芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维弹道性能的影响。研究

者分别将芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维夹在两组相反的稀土磁体之间,测试磁场斥力对材料弹道性能的作用。结果表

明,磁场斥力能抑制子弹进入芳纶纤维的前面板。

        对芳纶纤维进行纳米改性或对其复合材料纳米填充也会改善抗弹性能。研究人员通过在纤维表面生长垂直的ZnO纳米

线来增强界面强度。纤维的界面强度比裸纤维提高了96.9%,拔出测试的峰值载荷提升达6.5倍。ZnO纳米线强化了纤维的

拔出性能,进而也提高材料的弹道冲击保护水平。

        研究人员等研究了纳米颗粒填充剂对抗冲击复合材料的影响,对研磨碳纤维和纳米颗粒(碳纳米管和核壳橡胶颗粒)

同时填充的纤维复合材料进行了V50弹道测试。结果显示,纳米核壳橡胶颗粒填料由于空穴作用对冲击过程中的能量吸收

有效,同时也使弹道性能显著提高。碳纳米管填料能提高基体-纤维的界面性能,也使得弹道性能有显著提高。二者对复合

材料的V50抗弹性能有增强作用。复合材料添加质量分数1%的研磨碳纤维并添加1%的纳米颗粒,能将V50相对于参照样品

分别提高7.3%(碳纳米管)和8%(核壳橡胶颗粒)。


        2.玻璃纤维

        玻璃纤维的拉伸强度高、断裂伸长率大、冲击性能好、抗疲劳、化学稳定,不足之处是密度较大。

        美国密歇根州立大学对玻璃纤维增强的聚合物基复合材料进行了广泛研究。其制备了基于S-2GF/SC-15环氧树脂的复

合材料;研究了由正交平织GF毡布和环氧树脂基体构成的复合材料的尺寸效应对高压载荷下行为的影响;开发了基于GF的

高抗冲三轴准三维机织复合材料,并对其进行冲击测试表明,三轴准三维复合材料的刚度比二维机织和层压样品分别高出

12.5%和20%;通过树脂传递模塑工艺制备了车辆防护板用玻璃纤维毡增强的SC-15环氧树脂复合板,平均拉伸模量和拉伸

强度分别为20.06GPa和383.65MPa,平均压缩模量和压缩强度分别为31.83GPa和258.60MPa,平均剪切模量和剪切强度

分别为5.62GPa和97.43MPa,平均弯曲模量和弯曲强度分别为16.23和334.61MPa。


        3.超高分子量聚乙烯纤维

        超高分子量聚乙烯纤维密度小、抗吸湿性能好、断裂伸长率较高,是目前已经商业化的比强度最好的纤维之一。研究人

员等采用直接抓紧法测试了单纤维在多重负载速率下的拉伸性质,解决了由于纤维直径太小和表面能太低而难以用传统的黏

着法进行准确测量的问题。研究人员研究了不同纤维正交层压复合层板在弹道冲击下的显微断面,推导出冲击过程中层离、

层开裂和纤维扭折等失效模式的发生顺序,得到主要的能量吸收断裂过程,并确定这些过程如何受制备条件和目标响应的影

响。

        研究人员研究了不同面密度的HB26层压板的损伤力学和界面作用,通过一系列冲击测试评估了不同微编织物增强的聚

合物基复合材料的弹道性能。结果显示,微编织物增强的聚合物复合材料的弹道极限比由单向纤维制造的正交层压复合材料

提高了近20%。


        4.碳纤维

        碳纤维的杨氏模量通常是传统玻璃纤维的三倍多,在军事装备的轻量化和提高生存性方面有重要应用潜力。2015年,美

国乔治亚理工学院开发出一项基于聚丙烯腈(PAN)纺丝技术的凝胶纺丝连续碳纤维制备新工艺,制得的PAN基碳纤维的平均拉

伸强度在5.5~5.8GPa之间,拉伸模量在354~375GPa之间,拉伸模量比广泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纤维高出25%~

36%,其具备的强度和模量组合是PAN基连续碳纤维的最高值组合。未来通过优化材料和工艺,PAN基碳纤维的强度和模量

将会得到更大的同步提高。


     


        5.PBO纤维

        PBO(聚对-亚苯基苯并双噁唑)纤维最初由美国空军研发,后来的产品由日本公司制造,PBO纤维被称为是可替代芳

纶纤维的未来超高性能纤维,这种纤维密度比芳纶低,而力学性能和耐环境性能远优于其他芳纶纤维。

        2006年,美国加利福尼亚大学与美国陆军签订合同,进行弹道试验以确定Zylon纤维的抗弹性能。结果表明,Zylon纤

维比Kevlar29性能更好,用于装甲,会有效增强防护性能和机动性。尽管PBO纤维具有轻质高强高模等优点,但在防护应用

中受限于使用过程的力学性能退化。为解决此问题,研究人员开发了一种超临界CO2化学试剂扩散后处理工艺来处理PBO纤

维,以降低其力学性能衰退速度,延长使用寿命。美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员对超临界CO2后处理稳定化

PBO纤维进行了研究,以超临界CO2作为提取剂萃取PBO纤维上残存的磷酸和水分,并以之为媒介引入多种物质中和磷酸,

减弱水和酸对PBO纤维的降解作用。

        抗弹纤维的叠丝可能是性能衰减的一个因素。研究人员研究了折叠对抗弹PBO纤维性能衰减的作用,通过实验确定了

这种失效机制对装甲防护性能的影响。他们还进一步研究了折叠对抗弹纤维内部结构的影响。日本研究人员对PBO纤维做了

大量研究,例如,他们研究通过热处理来提高高模PBO纤维的拉伸和疲劳强度,研究剪切速率对高模PBO纤维拉伸强度的影

响等。


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