CF/UHMWPE纤维增强复合材料防弹特性模拟与验证

摘要

随着新式兵器的杀伤力越来越大，对防弹材料的防弹性能要求也越来越高，各种防弹材料都朝着更安全、更轻质、更舒适的方向发展，混杂纤维增强树脂基防弹材料是未来新型防弹材料研究的热点。影响混杂纤维防弹复合材料防弹性能的因素较多，如高性能纤维的混杂种类、混杂比例、混杂方式，以及树脂的组合选用、成型工艺等都将对其防弹性能产生或多或少的影响。以防弹性能优异的超高分子量聚乙烯纤维为防弹基材，辅之以刚性较好的纤维如碳纤维提高防弹复材的刚性，可以制备出新一代性能优异的防弹复合材料。
　　为研发出更加轻质、安全的防弹复合材料，本文从模拟和制备两方面入手。首先，设计出不同组分、不同铺层结构的纤维增强防弹复材，然后利用VirtualPerformance Solution(VPS)对所设计防弹复材的抗侵彻特性进行模拟，在模拟分析的基础上，制备出纤维增强防弹复材并进行打靶实测，最后根据实测结果优化防弹复合材料设计。
　　模拟结果显示，在相同的铺层结构及纤维体积分数条件下， PE层合板(UHMWPE纤维增强聚乙烯树脂)在较低的冲击速度325m/s下防弹特性优于CF层合板(CF增强环氧树脂)，但在较高冲击速度525m/s、725m/s下CF层合板的防弹特性优于PE层合板。同时在较高弹体冲击速度525m/s、725m/s下，铺层角度对PE层合板、CF层合板的抗侵彻能力影响不大，在较低的冲击速度325m/s下，铺层角度对层合板的抗侵彻能力影响显著，[0/90/0/90]4铺层结构的抗侵彻能力明显优于[0/90/45/-45]4。在325m/s冲击速度下，在不同纤维体积分数下，PE层合板抗侵彻特性表现出与CF层合板相同的变化规律，即纤维体积分数为0.8时，抗侵彻特性最好。
　　为了获取抗侵彻特性更好的纤维增强防弹复合材料，将CF单层板、PE单层板混合运用，取长补短。模拟结果显示，CF+PE层合板(CF单层板在弹击面)的抗侵彻特性最好，PE+CF层合板(PE单层板在弹击面)的抗侵彻特性最差，纯PE层合板抗侵彻特性仅次于CF+PE层合板，纯CF层合板抗侵彻特性劣于CF+PE层合板、纯PE层合板，优于PE+CF层合板。
　　为了验证模拟分析的可靠性，制备出高性能的防弹复合材料。对[0/90/0/90]简单铺层结构、[0/90/0/90]双向芯包缠结构、[0/90/0/90]双向纯包缠结构、[0/90/0/90]铺缝结构，四种铺层结构的层合板进行打靶实测，结果显示[0/90/0/90]铺缝结构不仅阻断能力较好而且背衬凹陷深度数值波动幅度较小。[0/90/45/-45]铺层结构由于纤维长度分布不均，使其防弹特性较差。适当增加成型压力可以增强样品的防弹特性。与纯PE层合板相比，加入碳纤维层后不仅可以增加表面刚度，而且其每一射序的背衬凹陷深度都小于纯UHMWPE纤维的防弹插板，由此可见混杂进碳纤维层可以有效降低背衬凹陷深度，抗侵彻特性更加优异。
　　采用模压法制备出CF/UHMWPE纤维增强复合防弹插板，通过对其弹道特性进行宏观及微观的详细研究，建立了一个全新的破坏模型。结果表明，防弹插板响应子弹侵彻的过程可分为五个特征比较明显的阶段，纤维的拉伸吸收了子弹的大部分能量，子弹的变形加速了其被阻断的速度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 防弹机理简介

1．3 高性能纤维在防弹复合材料中的应用

1．3．1 Kevlar纤维在防弹复材中的应用

1．3．2 UHMWPE纤维在防弹复材中的应用

1．3．3 碳纤维及PBO纤维在防弹复材中的应用

1．3．4 混杂纤维在防弹复材中的应用

1．4 应用于冲击模拟的分析软件

1．5 本文的研究目的及内容

第二章 模拟流程及实验材料、方法

2．1 技术路线

2．2 虚拟性能解决方案-Virtual Performance Solution(VPS)简介

2．2．1 虚拟性能解决方案-Virtual Perfomance Solution

2．2．2 VPS的分析功能

2．2．3 VPS的工业应用

2．3 建立模型及划分网格

2．4 定义材料

2．4．1 双线性应力-应变模型

2．4．2 通过一系列(E1，σ1)组合得到的单应力-应变曲线

2．4．3 通过点(ε1，σ1)得到的单应力-应变曲线

2．5 定义边界条件

2．6 导出pc格式的计算文件并计算

2．7 观察后处理结果

2．8 实验材料及实验方法

2．8．1 实验原料及仪器

2．8．2 制备与测试方法

第三章 基于VPS软件模拟的理论基础及参数确定

3．1 前言

3．1．1 基于显式求解方法

3．1．2 基于隐式求解方法

3．2 CF／UHMWPE纤维增强单层板的分析模型

3．2．1 ITYP=0单向复合材料两相单层板模型

3．2．2 两相模型及其自然坐标系

3．2．3 两相模型的弹性特性

3．2．4 两相模型的损伤特性

第四章 CF／UHMWPE纤维增强复合材料冲击动力学模拟

4．1 前言

4．2 问题描述

4．3 弹体速度对复合材料防弹特性的影响

4．4 铺层角度对复合材料防弹特性的影响

4．5 纤维体积分数对复合材料防弹特性的影响

4．6 CF／UHMWPE混杂纤维复合材料的防弹特性

第五章 CF／UHMWPE纤维增强防弹复合材料特性研究

5．1 引言

5．2 防弹插板的制备

5．3 实验结果及讨论

5．3．1 铺层结构对防弹特性的影响

5．3．2 铺层角度对防弹特性的影响

5．3．3 成型压力对防弹特性的影响

5．3．4 加入碳纤维对UHMWPE纤维防弹特性的影响

5．4 防弹机理研究

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

参与的科研项目