《纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应 粱子青邱冠雄周庆王嫂 ( 天津工业大学复合材料研究所，天津，3 0 0 l ) ( 北京中纺投资发展有限公司研发中心) 摘要：对探冲成型的防弹制品，纬编双轴向织物具有良好的加上特性，可使最终产品既没有搭箍又艉避免形成帮皱。研究U H M w P E 鲆维双轴向织物复合材料在弹道冲击作用下的响应特征，发现这种织物结构增强的复台材料与其它结构形式增强的复合材料的弹道 冲击响麻蔗奉类似，但又有其特殊性。 美t 词：u m 哪P E 纤维纬编双轴向织物防弹复合材料弹道冲击响应 中圈法分类号：1 s1 8 6 2文献标识码：A I h 唧P E 纤维作为一种新型防弹
2、复合材料的 增强材料，是迄今为止防弹性能最好的一种高性能 纤维“】。目前最主要的防弹应用有软质防弹衣、防弹 头盔、防弹插板和复合装甲。最常见的方法是将纤维 正交铺层并浸渍树脂后形成预浸无纬布，热压成型， 或者使用预浸机织物。在制作某些深冲成型的防弹 制品如防弹头盔的工艺过程中，亩接使用预浸无纬 布或机织物在模压工序中不可避免要产生褶皱，因 此需要将预浸料裁剪成多瓣花形坯料，并将坯料交 错叠放。搭缝的存在以及因预浸料成型性差而可能 在头盔弧顶形成的皱褶，对制品的防弹性能将产生 不利的影响。此外，由于l I 玎w P E 纤维大分子结构 单一，既无侧基也没有极性基团，纤维和基体的界面 粘接强度较低
3、，在弹丸冲击作用下，I 肿w P E 纤维复 合材料极易发生分层现象，降低了材料的防弹性 能。 产生自由剪切；经纬衬线可以沿盼两个方向发生 集束现象，其变形能力同经编双斜向织物相比更为 均衡。 从图8 中可以看出，多层双轴向纬编衬线织物 的剪切初始模量低于平纹机织物，而且剪切滞后曲 线t 出现了一个较长的剪切平台( 随着剪切角的增 大，剪应力很小而且几乎保持不变) 。这说明多层双 轴向纬编衬线织物具有很强的变形能力、易于成型 的特点o I 。 i j u 圜 ： ； 翟 。陟一耋 圈8 多层双轴向纬编衬线织物与 豳9 玻璃纡雏纬编双轴 平纹机织物的剪切滞后曲线对比 向织物一次横压成型头盔 图9
4、 为用玻璃纤维纬编双轴向织物一次模压成 型的头盔( 成型良好，无起拱现象) 。 3 结语 多层双轴向纬编衬线织物作为轴向针织织物中 的新成员，除了继承了经编轴向织物的力学优点( 衬 纱完全平行顺直，对应力的响应速度快，能够充分发 挥纱线的潜能) 外，还具有极好的成型性。同经编轴 向织物相比，多层双轴向纬编衬线织物的牛产成本 低，幅宽可以加大，而且可以实现多层衬纱，在针织 轴向织物增强复合材料领域大有用武之地。 参考文献 l 姜亚明双轴向涂层织物的研究与应用天津纺织二学院顿士 论文，1 9 9 6 ：1 6 2 姜亚明 多轴向经编织物的力学性能篮成型性研究天津纺织 工学院博士论文，1 9 鲫：1
5、 3 姜重明等双轴向经编织物的w c 涂层与底布之问的结合力分 析纺织学报，1 9 9 9 ( 5 ) ：6 9 4K o FKdd D e 州o p m 眦t d M u m h 吐W m l n 孵6 啊揶K 曲 h h 蛐 鲫洳 s I EP 啦9 0 一耐一7 ， 1 9 8 0 ( 1 0 ) 5 I 岫一1 讪n b r 呻M m e 由k ：c 【哪p 0 醯慨B _ 咖肿d 瑚M 蚵出，P b 唰v e a n K D B 刊G 即日丑曙 利啪a 1 檀D 浏蜘晰1 9 9 l ：8 l 一 8 9 6R q 酬J d 址I 刷倒dS 6 岫陆越眦黜t h n 蜘掣nW i 雌
6、f h 出F i 嘎N S A d 朔o e do “P i bT e d 叫。盯 c 0 “一J 9 9 l ( 2 0 ) ：6 2 l 一6 4 6 7 H B 1 肼d k 一 s 砒Cl i t 曙岫 汹c ( d 啪佣A 扣a J 删D 哂地蕊吣n b 嘶划k h ks t 呻栅 h Q q 啪n 船，1 9 9 2 ：l 一3 1 8D e I t 开H Bdd P 口如功_ 噼0 fR 憾i nT I I s 目M 胡d 甜M 山l h 【i 越 W 砷“c 0 呷商慨1 h 耐H S d v W 浏Op o i 惜圳啊 G 0 n k 舶惴，J 9 9 3 ( 1 ) ：2
7、3 1 2 6 1 9 J i n h 柚 k d 副M o d e l i 口s u m 捌d l b H “P 1 ，一1 j 曲d M u n i 日I i 正w 8 f p J 【I I i l l 。d h 晡曲1 砌e J ，1 9 ( 1 1 ) ：8 2 8 8 3 4 1 0 Y 珊哪J j 州d d a 脚眦暗虹嘶刊M 砌d 吨d & 幽P I 畔 妇o f 强曲矗1 w 呷鼬I 酬h b - 岫，T 酬e 脑J ，l 蛳( 9 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to re
8、move the watermark h口1，1口2003年6月 双轴向织物是近年来新发展起来的织物结构形 铅芯弹，射击距离为5 m ，射击角度为o o 。 式，与机织物相比，织物具有对载荷响应快的特点“。 姜亚明采用半球冲压试验法研究了多轴向经编织物 的成型性后发现，衬纱系统较少的织物具有较好的 成型性8I 。相对于经编绑缚系统而言，纬编绑缚线圈 的变形要容易一些，这一特性更有利于衬纱在成型 时发牛一定程度的滑移、偏转，实现良好成型，避免 了褶皱的产生；同时又不需要将预浸料裁剪成多瓣 花形，从根本上消除了搭缝可能导致的防弹性能下 降的问题。绑缚线圈的存在又能将衬纱的滑移控制 在一定的范围之内
9、，不至于造成最终复合材料制品 的局部纤维体积含量下降，并有助于减轻弹丸冲击 作用下材料的分层现象。 1 实验材料 衬经和衬纬均使用中纺投资发展有限公司生产 的“孚泰”牌u m f w P E 纤维( 纤维规格为4 0 0 D 6 0 f ， 拉伸强度：2 8 G P a ，拉伸模量：8 1 G P a ，断裂伸长： 3 ) 。绑缚线圈所用材料为1 3 5 D e n 高强涤纶长丝。 由于u H M w P E 纤维熔点较低，基体固化成型温度不 宜过高，因而选用不饱和树脂作为复合材料的基体 材料。 2 织物参数 纬编双轴向织物采用天津上业大学复合材料研 究所研制的衬经村纬纬编机织造，衬经细度为
10、3 2 0 0 D ，衬纬细度：1 2 0 0 D e n ，衬经密度：2 3 6 根 1 0 e r n ，衬纬密度：8 0 根1 0 c m + 8 0 根1 0 c m 。织物面密 度：3 4 0 9 m 2 。 3 实验部分 织物准备：将纬编双轴向织物裁剪成2 0c m 2 0 c m 的方块，用丙酮处理去除残留的纺丝油荆并烘 干备用。 树脂准备：在不饱和树脂中添加适量的引发剂、 促进荆后，搅拌均匀。 层合板制作：采用手糊成型法，在织物上涂覆准 备好的基体树脂，由于衬经系统为一个，衬纬系统为 两个，在实验中将预浸料正交排布，保证层合板在面 内具有准各向同性，然后置于压机上，合模升温，调
11、 节压力以控制层合板含胶量。层合板中织物层数为 2 0 层，层合板面密度为8 5 k 矗，层合板含胶量为 2 0 。图1 为层合板表面，图2 是层合板剖砥图。 弹道冲击实验：枪用“五四”式手枪，弹用“五一” 图l 纬编双轴向织物 图2 纬编双轴向 复合材料表面织物复合材料剖面 4U m 懈吨纤维纬编双轴向织物层合板的 弹道冲击响应 u m w P E 纤维纬编双轴向织物层合板在弹丸冲 击作用下最显著的响应特征是剪切冲塞，见图3 。由 于弹丸形状的影响，冲塞产生的弹孔明显比弹丸尾 部尺寸要小，弹丸在侵彻深入的过程中仅仅破坏了 一部分纤维，弹丸冲击范围内的其它纤维被弹丸挤 开，在靶着点周围形成小的
12、凸起，类似于金属靶板受 高速冲击后形成的翻唇“】。 圈3 复台材料在弹丸冲击圈4 靶板在冲击被作用 F 的剪切破坏下产生界面脱粘 弹道冲击产生的应力波在层合板内传播扩散， 其中纵波是压缩波，横波是剪切波，纵波波速快而横 波波速慢，纵波决定影响区域，横波则是造成界面脱 粘的主要因素。在u I M w P E 纤维双轴向织物层合板 中，弹道冲击后靶板表面出现近似菱形的泛白区域 ( 图4 ) 。这是由于层台板在偏轴方向拉伸模量比正 轴拉伸模量低造成的。模量越低，冲击波传播的速度 也越低。另一个可能的原因是，冲击波在偏轴方向传 播时要不断经过纤维和纤维、纤维和基体之间的界 面，冲击波在界面发生波的透射
13、和反射，冲击波的强 度也随之降低，因而界面脱粘区域较层合板正轴方 向要小；反之，在层合板的正轴方向上，始终都存在 与正轴方向一致的纤维束，冲击波在沿层合板正轴 方向传播时强度衰减不如偏轴方向明显。 弹丸对层合板的侵彻必然要使层合板中与弹丸 头部接触的部分靶材随弹丸一起沿靶板厚度方向运 动，层合板随之发生层间剥离，最终导致分层。如图 5 所示，这种现象在弹丸侵彻停止之前特别明显，分 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 层一直扩展到了层合板边缘。实际上，层
14、合板的分层 彻力的影响，侵彻力的切向分量使纤维束具有侧移 是有利于材料的防弹作用的。层合板的分层是吸收 的趋势，一部分绑缚线圈被拉断，见图7 c 层合板背面 弹丸能量的一种方式，更为重要的是，对层合板而还有部分u H M w P E 纤维束被拉伸断裂，这些纤维束 言，只有在发，p 分层的前提下，纤维束才能对弹丸形 在断裂时释放出储存的弹性势能，使纤维束发生强 成一定的包角，这是纤维发挥其良好抗张性能的关 烈的回弹，崩断r 绑缚线圈，图8 为从层合板背部收 键。选也足防弹复合材料不需要太强界面粘合强度集到的少量绑缚纱线的片段。 的道理。界面粘合强度太高，抑制了层合板的分层现 象，使得纤维难以充分
15、发挥高强高模特性，有效阻止 弹丸对层合板的穿透。当然，界丽粘合强度太低，基 体对纤维的抱合能力也会F 降，使得纤维在弹丸冲 击作用下更易产生滑移，降低层合板的防弹性能。 江：图中黑线右边为分层区域，箭头指示为弹丸侵衡方向 囤5 靶板的分层现象 层合板侵彻阻力，对弹丸而言是一种压缩作用， 当压缩强度超过弹丸材料的屈服强度以后，弹丸将 发生不可回复的塑性变形，表现为弹丸头部变平，并 逐步被镦粗。弹丸的镦粗意昧着和层合板的接触面 积在增大，层台板中的参与阻止弹丸侵彻的纤维数 目增多。加上分层因素的影响，层合板的吸能方式逐 渐由纤维的剪切破坏向纤维的拉伸变形转变，最后 形成明显的“背凸”，如图6 所示
16、。 囤6 弹丸冲击后靶板上形成的“背凸” 在“背凸”形成的过程中，纤维继续受到弹丸侵 固7 纤维束的断裂及侧秽图8 纤维束断裂时崩晰的绑缚线圈 5 结论 以u 嘲P E 纤维纬编双轴向织物复合材料为 研究对象，探讨了层合板在弹道冲击作用下的响应 特征。经过分析实验结果，发现剪切冲塞、界面脱粘、 分层、托伸变形( “背如”) 、纤维束侧移和绑缚线圈的 断裂是层合板在弹道冲击下主要的响应方式，与作 者上一阶段研究成果8 1 及L e eB L 等人”1 的实验结 论基本类似，但又有其特殊性。 参考文献 lC u n n l 仃，P MA | 1 A I l d 扣i s f 山eS p I 肋lE
17、 臣e c l s J nW o v 曲蹦n c 8 u I 】d e fB a I I i 鲥cL P a c t 1 b x 【i 】fR e 批hJ o l l I I l d ，1 9 9 2 ( 6 2 ) ：4 9 5 5 0 9 2 姜亚明双轴向凉层织物的研究与应用( 碰士学位l 台文)天津 纺织工学院，1 9 9 6 3 姜亚明多轴向经编织物的力学性能及成型性研究( 博士学位 论文) 天津纺织_ I = 学院，1 9 9 9 ( 1 ) 4 张运法高速球体对半无限固体介质的侵彻作用研究( 博士学 位论文) 华东I 学院，1 9 9 1 5 粱子青等超高分子量檗乙烯纤维防弹复合材料的研究天津工 业大学学报，2 0 0 3 ( 2 ) ：6 9 6k eBL h md 蹦l u 咒o fs p 籼I 碉如I y 劬y l 删胁盯一R m 妇。d c 0 呻o m t 燃u r d 耵附【i 舐ch q l 蝌k 吕d j J o u 蛐d C o n ￥m l t eM t e 血k ，1 9 9 4 ( 1 3 ) 1 2 。2 1 2 2 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark