STF-Kevlar、UHMWPE织物复合形式及其防弹性能研究

摘要

随着科技的发展，人们对于防护装备的要求不再局限于优异的防护性能，同时也追求轻便、柔软等舒适性。如何设计出高效、轻质的防护装备是目前该领域重要课题之一。纤维复合材料在防弹领域的应用发展越发广阔，高性能纤维常以机织物、无纬布等形式存在，且预制件原料、组织结构、厚度、复合形式及其制备工艺、层合方式等因素对于材料的防弹性能具有较大的影响。
　　本文在课题组前期研究的基础上，优化剪切增稠液体（STF）制备工艺及复合工艺；以芳纶纤维（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纤维（ultra-high molecular weight polyethylene，简称UHMWPE）为原料，采用Kevlar平纹织物、UHMWPE无纬布（UD布）及课题组自织的织物，改变铺层位置、角度、织物结构，设计21种平面方向的复合形式，46种厚度方向的复合形式，对叠层织物进行实弹射击试验，分析高性能纤维织物复合形式对其防弹性能的影响，探究相对最优的织物复合形式。主要得到以下结论：
　　（1）优化STF制备工艺，采用电动搅拌器与超声波振动仪共同作用，控制温度为25℃，制得混合均匀的STF分散体系；优化STF复合工艺，在干态STF复合工艺研究基础上，利用UD布密封工艺，使STF以液体形式存在于织物中。以4种不同SiO2固含量的STF分别浸渍高性能纤维束与织物，随着SiO2固含量的增加，有效提高纤维与织物的基本性能。
　　（2）采用包缠处理的Kevlar纤维、丙纶，织造9种芳纶/丙纶混杂织物，经STF复合后，克重提高35％左右，透气率随着丙纶间距的增大而变大，织物层数增加，其透气率下降，且四层织物中外层交织阻力较小，中间两层交织阻力明显提高。采用加以弱捻的UHMWPE无捻丝，设计织造8种组合式结构织物，与正交结构相比，准正交结构的纱线紧密度较高，两者组合后使得织物舒适性能提高。
　　（3）平面方向复合形式的织物中，织物层数确定为4层，改变铺层位置、角度，平纹织物作为冲击面具有较好的防弹性，且冲击面弹孔面积较大，纤维剪切断裂平整；以0°/75°/150°/225°角度铺层，各层之间的各向异性最为明显，冲击能量传递方向不断改变，具有较好的防弹性能。组合式结构织物中，正交结构单元能够有效抵抗剪切作用，适合作为冲击面。在高速冲击下，冲击面为正交结构单元的织物单位面密度吸收能量值比冲击面为准正交结构单元的织物高出了35.7%，但准正交结构单元对于抗拉伸作用具有优势。
　　（4）实弹射击基础试验中，随着子弹冲击速度提高，子弹由圆形头转换为尖形头，叠层织物单位面密度吸收能量均下降，子弹剪切作用力对织物的破坏层数增多；而相近冲击速度下，叠层织物厚度增加，其单位面密度吸收能量相应提高；30层Kevlar平纹织物符合警用防弹衣2级防护等级，而50层UD布满足3级防护等级。
　　（5）厚度方向复合形式的织物中，确定叠层织物理论厚度为1cm，改变织物角度，单一织物与复合织物的角度为15°时，织物各层之间的各向异性最为明显；改变织物组合形式，UD布的厚度在复合织物中占得比例越大，织物的防弹性能越好，且交换两种织物前后位置，以UD布作为冲击面的试样单位面密度吸收能量相对较高；间隔Kevlar平纹织物与UD布层数均为2层时，能量传递方向在经向与经纬向不断替换，复合织物消耗子弹冲击能量值最大；在5种相同厚度的不同结构织物中，UHMWPE纤维织物强度优于Kevlar织物，结构为AAABB的Kevlar三维织物抵抗冲击作用力的能力最优。

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第一章 绪论

1.1 本课题研究目的与意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本课题研究内容及创新点

第二章 STF制备工艺优化及其作用效果

2.1 实验原料及仪器

2.2 STF制备工艺优化

2.3 STF复合工艺优化

2.4 STF对纱线基本性能的影响

2.5 STF对织物基本性能的影响

2.6 本章小结

第三章 高性能纤维织物制备及其基本性能

3.1 超高分子量聚乙烯纤维织物的制备及其基本性能

3.2 芳纶纤维织物的制备及其基本性能

3.3 本章小结

第四章 平面方向复合形式设计及织物防弹性能

4.1 实验原料及仪器

4.2 弹道侵彻试验

4.3 不同铺层位置织物的防弹性能

4.4 不同铺层角度织物的防弹性能

4.5 三维织物的防弹性能

4.6 本章小结

第五章 厚度方向复合形式设计及织物防弹性能

5.1 实弹射击试验

5.2 冲击速度对织物防弹性能的影响

5.3 厚度对织物防弹性的影响

5.4 角度对织物防弹性的影响

5.5 组合形式对复合织物防弹性的影响

5.6 织物结构对复合织物防弹性的影响

5.7 STF形态对复合织物防弹性能的影响

5.8 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果