_硬质防弹纤维复合材料的研究进展.pdf
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1、第23卷 ? 第6期 Vol . 23 ? No . 6 材 ? 料 ? 科 ? 学 ? 与 ? 工 ? 程 ? 学 ? 报 Journal of Materials Science 修订日期:2005 -03 -11 作者简介:郑震(1972- ) ,在站博士后,研究领域为高性能的纤维树脂基复合材料的制备和新颖嵌段共聚物的合成与表征. 硬质防弹纤维复合材料的研究进展 郑? 震1,4, 杨年慈2, 施楣梧3, 黄可龙1 (1. 中南大学 化学工程与技术博士后流动站, 湖南 长沙? 410083; 2. 东华大学 材料学院, 上海? 200051; 3. 中国人民解放军 总后勤部军需装备研究所,
2、 北京? 100010;4. 上海交通大学 化学化工学院, 上海? 200240) ? ? ?摘? 要? ? 本文分三个方面, 即高性能纤维的选材、 纤维和树脂对防弹性能的影响以及复合材料的整体防弹机理, 对硬质防弹复合材料研究中涉及的选材、 成型条件和复合方式等因素, 进行了较为详细的述评, 尤其对超高分子量聚乙 烯纤维防弹复合材料的研究给予特别关注, 并指出了当前防弹复合材料领域研究的热点。 ?关键词? ? 高强高模纤维; 超高分子量聚乙烯纤维; 纤维复合材料; 防弹性能 中图分类号:TB332? ? ? ? 文献标识码: A Researches and Developments on
3、Hard Antiballistic Fiber Composites ZHENG Zhen1,4, YANG Nian -ci2, SHI Me- i wu 3, HUANG Ke -long1 (1. Chemical Engineering 2. College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai? 200051; 3. The Quartermaster Institute of General Logistic Department, CPLA, Beijing? 100010; 4.
4、School of Chemistry and Chemical Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai? 200240, China) ?Abstract? ? Three aspects of hard fibers ballistic -proof composites have been discussed, namely the selection of high -performance fibers, the effects of fibers and resins on bulletproof property, a
5、ndthe whole antiballistic mechanism of the composite, which involved in the properties of fibers, the shaping terms and compoundmethods, etc. More concernings the study on UltraHighMolecular Weight Polyethylene (UHMWPE) fibers composite were paid especially, and the hot question on recent researches
6、 has put forward. ?Key words? high strength and high modulus fibers; UHMWPE fiber; fiber -reinforced composites; antiballistic property 1? 引 ? 言 纤维树脂基防弹复合材料中采用的纤维经历了从高强 尼龙、 高强玻璃纤维、 碳纤维到芳纶、 超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)等特种纤维的更新换代过程。现有的六大特种 纤维中, 碳纤维由于断裂延伸太小, 单位面积的弹击吸能较 低, 已逐渐退出了防弹领域; 芳纶、 聚乙烯纤维已成为防弹 复合材料的主要原材料, 尤其
7、是芳纶, 在防护方面的应用越 来越广; 聚芳酯( Polyarylester Fiber) 纤维、 聚苯撑苯并二唑 ( PBO) 纤维、 聚乙烯醇(PVA) 纤维作为新兴的纤维, 也有望在 防弹复合领域有所作为。从根本而言, 特种纤维自身结构、 物化性质的不同, 决定了它们在弹击或高速冲击过程中的 响应各不相同, 几种典型的防弹纤维的基本性能列于表 1。 ? ? 在防弹纤维复合材料的相关工作多年积累的基础上, 我们将从 3个方面, 即高性能纤维的选材、 纤维和树脂对防 弹性能的影响以及防弹机理, 对硬质防弹复合材料研究中 涉及到的选材因素、 成型条件和复合方式, 进行较为详细的 讨论。 2?
8、高性能纤维的选材 2. 1? 碳纤维 碳( 石墨)纤维由石墨微晶构成, 因而具有很高的强度 和弹性模量, 断裂延伸较低。它的种类很多, 作为补强材 料, 碳纤维增强树脂是结构复合材料的主流, 但由于碳纤维 树脂复合材料的耐冲击性低, 吸收子弹或碎片的冲击能也 较低, 故在防弹复合材料中应用较少。 2. 2? 芳纶纤维 芳纶主要分为两种: 对位芳酰胺纤维(PPTA) 和间位芳 酰胺纤维( PMIA) , 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维是其中最具 代表性的一种, 英文为? Aramid Fiber?。PPTA 的代表品种除 了杜邦的 Kevlar 纤维, 还有日本帝人公司的 Technora 纤维、 荷
9、兰 AKZO 公司(已与日本Teijin 合并) 的 Twaron 纤维、 以及 俄罗斯的 Terlon 纤维; PMIA 的品种有 Nomex、 Conex、 Fenelon 纤维等。 表 1? 高性能纤维的一些基本性能 1 -4 Table 1?Some basic properties of high performance fibers Type of FibersTypical Products Density ? g?cm- 3 Tensile strength ? GPa Tensile Modulus ? GPa Elongation at Break?% Sonic Spee
10、d in Monofilament ? 103m?s- 1 Dyneema SK600. 972. 7873. 59. 5 UHMWPE Dyneema SK650. 973. 0953. 69. 8 Fiber Dyneema SK660. 973. 11003. 510. 0 Dyneema SK750. 973. 41073. 811. 0 Dyneema SK760. 973. 61163. 812. 0 Kevlar 1291. 443. 38833. 38. 2 Aramid Kevlar KM21. 443. 43644. 36. 5 Twaron CT1. 443. 3903.
11、 37. 9 Twaron HM1. 452. 81212. 19. 1 Carbon FiberCF HS1. 783. 42401. 411. 5 CF HM1. 852. 33900. 514. 5 PBO FiberZylon HM1. 565. 82802. 513. 5 Polyarylester FiberVectran HT1. 443. 30763. 87.28 PVA FiberKuralon 79011. 322. 5395. 2- Nylon -66HT1. 141. 0518. 22. 0 ? ? 芳纶是一种高强度、 高模量和耐高温的纤维, 具有良好 的抗老化性能和很
12、长的生命周期。因此, 美、 英等发达国家 采用的防弹头盔均为芳纶材质, 头盔的轻型化, 有效提高了 战争中军队的快速反应能力和杀伤力。 近五年来, 针对杜邦公司开发的 Kevlar?KM2 高性能纤 维的研究较多 5, 其横向弹性模量为 1. 34GPa6。国内熊杰 等人理论计算了以芳纶为主的酚醛树脂基复合材料的抗侵 彻性能, 当应变速率在 0. 01 ?s 到 1000 ?s 范围变化时, 芳论的 力学性能对拉伸应变速率不敏感7。 2. 3? 超高分子量聚乙烯纤维 目前, 国外除了荷兰的 DSM 公司和美国的 Allied Signal 公司采用? 凝胶 纺丝 -热拉伸法? 生产的 Dyne
13、ema 纤维和 Spectra 纤维, 还 有日 本 的 Mitsui 公司 用 溶液 法 生 产的 Tekmilon纤维。我国已有多家企业可以连续生产 PE 纤维, 如中纺投资、 湖南中泰等, 其中湖南中泰特种装备有限公司 采用? 冻胶纺丝拉伸法?, PE 纤维的力学性能也能满足防弹 领域的特殊需要。 UHMWPE纤维的比强度和比模量是各种纤维中最高 的, 1996 年, 英国科技部的 Carr D J 评价了 UHMWPE 纤维复 合材料制备军用头盔的可行性。与英军当时服役的军用头 盔GSMK6( 盔体由尼龙 66 平纹编织布增强酚醛?PVB 树脂 制成) 相比, 全采用 PE 纤维制备的
14、盔体, 整个头盔的重量下 降约16% , 而且, 当后者的面密度(Areal Density, 简记为 AD) 为6. 55kg ?m2时, 可防住 V50值为 530m ?s 的 1. 10g 碎片; 弹击 后产生的背凸高度也从 331mm 降低到 272mm, 这些说明聚 乙烯纤维复合材料的防弹性能要优于 GS MK68。 Wu等人研究了芳纶?聚乙烯纤维混杂的复合材料对低 高速冲击的响应, 发现受高速冲击后, 柔性的聚乙烯纤维的 最大冲击应变更大; 而低速冲击时, 芳纶能承受较大的冲击 负载 9。 2. 4? 聚芳酯纤维 聚芳酯纤维是由美国 Celanese 公司开发, 后委托日本可 乐丽
15、公司实现工业化生产, 产品的商品名为? Vectran?, 产能 约为 1000t?a; 现日本住友化学公 司也有生产, 商品名 为 ? Ekonol?, 但在我国目前尚处于空白。 聚芳酯纤维是由熔致型液晶树脂制成, 其强度、 模量与 Kevlar 纤维相当。但它的的吸湿率接近于 0; 在干热和湿热 处理后的强度保持率、 振动吸收性和耐冲击周期性皆优于 Kevlar 纤维。据称, 采用 222dtex 纱的聚芳酯纤维曾被用于 火星探测器着陆时使用的空气袋, 使用 5 层重叠结构设计, 起到了在苛刻的环境条件下的防护作用 10。但聚芳酯纤维 仍须避免长时间的紫外线暴晒, 而且, 它的耐疲劳性、
16、粘接 性能还有待提高。 2. 5? PBO纤维和聚乙烯醇纤维 PBO 纤 维 是 聚 苯 撑 苯 并 二唑 ( Poly -p -phenylene benzobisthiazole)纤维的简称, 商品名为 Zylon。PBO 是由美国 空军空气动力学研究人员发明的, DOW 化学公司取得其全 世界实施权进行工业化开发。1998 年, 首先由日本东洋纺 公司开发成功, 年生产能力达到 200 吨?年11。 PBO 纤维具有高强、 高模量、 耐热、 阻燃等特性, 其强力、 模量为 Kevlar 纤维的两倍。PBO 纤维的极限氧指数为 68, 在有机纤维中它的阻燃性最高。PBO 纤维柔软性良好,
17、织成 的织物柔软性近似于涤纶纤维织物, 对于纺织编织加工极 为有利。PBO 纤维的老化性能、 耐热性和耐燃烧性都比芳纶 ?906? ? ? 材料科学与工程学报2005年 12 月 好, 而且, 它的耐冲击性比芳纶、 碳纤维要高很多, 见图 1。 图 1? PBO 纤维、 碳纤维和芳纶的冲击性能比较 Fig. 1? Comparison with the impact property of PBO carbon ? ? 高强聚乙烯醇(PVA)纤维是将聚乙烯醇用溶剂溶解, 凝 胶纺丝挤出纤维后, 迅速冷却至 0- 20? 制得, 如日本可乐 丽公司研究开发的? K- ?纤维。PVA 纤维的比断裂
18、功大, 易于粘接, 价格适中。90年代以来, PVA 纤维的强度显著提 高, 用干湿法纺丝工艺可使纤维的强度达到 16- 20cN ?dtex。 3? 纤维和树脂对防弹性能的影响 3. 1? 纤维性质与结构对复合材料防弹性能的影响 纤维自身的防弹性能可由下式简单表示: R2= W?C, 式 中R 为防弹性能指标; W 为纤维破裂能量吸收值; C 为纤维 中的声速, 由纤维的模量、 密度和排列方式决定, 就单丝而 言,C2= E ? ?, E 为纤 维拉 伸模量, ? 为纤 维密 度12。对 UHMWPE 纤维而言, 较高的冲击能会导致纤维吸收能量的 增加, 当冲击能较低时, 纤维多为剪切断裂。
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