织物厚向混叠硬质复合材料制备及防弹性能研究

摘要

在当代社会发展中，恐怖和暴力事件时有发生，因此个体防护装备和军事装备变得越来越受到人们的欢迎。而高性能纤维以密度低、强度高、可设计性高、抗冲击性能好的特点广泛应用于防弹复合材料，尤其是高性能纤维增强树脂基高效吸收弹体冲击能量的功能性复合材料。这种高性能纤维增强树脂基复合材料广泛应用于装甲车辆、军用飞机、武装直升机、舰艇、运钞车的防护等方面，同时作为胸插板背板、防弹盾牌、防弹头盔等个体防护中也有不少应用。因此在保证防弹性能不降低的前提下，有效降低防弹材料的重量，以使制备的复合材料达到轻质、灵活、单位面密度吸收能量大是非常重要的。不同种类及不同结构形式的高性能纤维具有不同的冲击各向异性，而防弹复合材料在受到子弹的冲击时具有不同程度的结构效应。结合子弹对防弹复合材料抗冲击过程和不同高性能纤维及结构方式的吸能特点，设计出防弹性能更强、重量更轻的防弹复合材料。另外子弹对高性能纤维增强树脂基复合材料的抗冲击过程和防弹机理的研究为高性能纤维增强复合材料的结构设计具有重要的理论价值和实际意义。本课题以高性能纤维为增强材料，双酚A环氧乙烯基酯879为树脂基体通过真空灌注成型工艺制备不同结构式、不同组合式的防弹复合材料，以弹道冲击性能指标为评价标准，采用数据和实验相结合的方法，对纤维增强树脂基复合材料的防弹性能、弹道冲击破坏及防弹机理进行分析研究。
　　本课题研究主要有以下几个方面：
　　1.设计并织造了三维织物、结合不同高性能纤维材料和三维组织结构的预制件的织造质量对织造工艺进行了优化，并对增强织物预制件的力学性能进行了研究
　　2.采用真空灌注成型工艺制备了二维和三维织物增强双酚A环氧乙烯基酯879的树脂基复合材料，并探究了复合材料的成型质量和界面结合问题，然后详细分析了复合材料的树脂用量与复合材料的面积及复合材料的厚度的关系
　　3.采用弹道冲击装置对不同种类的复合材料进行了弹道冲击测试，研究了不同结构式和不同组合式复合材料的防弹性能，并探究了防弹复合材料抗冲击过程中高性能纤维的断裂和防弹吸能机理。
　　研究结果表明：二维织物预制件的力学性能由大到小的顺序为：高强聚乙烯UD布、碳纤维平纹机织布、芳纶平纹机织布、玻纤平纹机织布；三维织物的力学性能由大到小的顺序为：高强聚乙烯三维机织物、芳纶三维机织物、玻璃纤维三维机织物。真空灌注成型工艺的实验压力参数控制在-0.08 Mpa以下，树脂固化时间为36 min左右，可以完好完成增强材料与树脂基体的浸渍，另外对高强聚乙烯UD布需要进行等离子体处理，有效改善了高强聚乙烯UD布层叠复合材料的成型，而且处理之后UD布制成的复合材料单位面密度吸能量比未处理UD布制成的复合材料提高12.85％。通过对二维和三维增强复合材料的树脂用量的测试和分析可知，其复合材料的树脂用量、复合材料的厚度以及复合材料的面积可以用二元一次回归方程来模拟。高性能纤维的种类和预制件的组织结构对复合材料的防弹性能有不同程度的影响，其防弹性能：高强聚乙烯纤维优于芳纶纤维优于玻璃纤维；三维角联锁优于三维准正交优于三维正交。并且织物厚向混叠复合材料的防弹性能有不同的厚度效应和角度效应，随着叠层层数的增加防弹性能而提高，对于二维不同叠层角度的复合材料，其防弹性能单位面密度吸收能量从大到小依次是：30°、15°、45°。另外对于不同叠层比例的复合材料，当无机纤维和有机纤维叠层比例为1:2时，其防弹性能最好。此外织物厚向混叠复合材料的吸能机理分为三个阶段，首先是着弹面以增强材料的剪切破坏为主；中间部分是以增强材料的剪切破坏为主、拉伸断裂破坏为辅；背弹面以增强材料的拉伸断裂破坏为主。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 前 言

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容和创新点

第二章 防弹复合材料的预制件制备及力学性能

2.1 引言

2.2 实验材料及其仪器

2.3 三维机织物预制件的制备及力学性能分析

2.4 不同增强材料预制件的性能测试

2.5 本章小结

第三章 高性能纤维增强复合材料的制备及性能表征

3.1 前言

3.2 实验材料及仪器

3.3 高性能纤维增强复合材料的成型设备及成型工艺优化设计

3.4 高性能纤维增强复合材料的制备

3.5 本章小结

第四章 织物厚向增强硬质复合材料的弹道冲击性能研究

4.1 前言

4.2 织物厚向混叠硬质复合材料弹道性能测试

4.3 三维织物增强复合材料抗冲击测试结果分析

4.4 二维织物增强复合材料抗冲击测试结果分析

4.5 增强材料不同铺层角度对复合材料的防弹性能的影响

4.6 增强材料厚度对复合材料的防弹性能的影响

4.7 增强材料浸润前后其防弹性能关系

4.8 增强材料不同叠层比例对复合材料的防弹性能的影响

4.9 本章小结

第五章 织物厚向混叠硬质复合材料的防弹机理分析研究

5.1 引言

5.2 弹体对防弹复合材料侵彻过程分析

5.3 高性能纤维增强复合材料破坏形貌

5.4 防弹复合材料板材的破坏模式

5.5 织物厚向混叠复合材料的防弹机理分析

5.6 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

攻读硕士学位期间的研究成果