從表中可以發現,防彈復合材料所采用的樹脂體積含量一般都低于3O。主要是是由于防彈復合材料中樹脂對靶板剛性和結構整體性的主要貢獻僅為樹脂與織物表面纖維的粘結,避免纖維在彈丸沖擊下產生滑移,充分發揮纖維高強高模特性及傳遞應力、均衡載荷等功能,樹脂自身的碎裂吸能并不是彈道吸能的主要方式。
復合材料的成型壓力對材料的防彈性同樣具有很大的影響_4,主要是由于成型壓力直接影響了材料的面密度、體密度以及界面強度。成型壓力較小時,層與層之間結合不夠緊密,當一部分纖維受到沖擊時,無法通過層間耦合與其他纖維相互作用,纖維的協同效應差,不利于應力波的傳遞和沖擊能量的耗散,因而吸能較低。隨著成型壓力的提高,纖維間協同效應越來越強,吸能迅速提高,然而,達到最大值后,繼續提高成型壓力將使層板彎曲剛度提高,不利于纖維的拉伸變形,使得參與拉伸斷裂的纖維數目減少,因此吸能降低。
4界面對防彈性能的影響
界面的作用是促使纖維和基體形成一個整體,通過它傳遞應力[一。從微觀角度看,界面是由表面原子及表面亞原子構成,基體與纖維表面原子的構成取決于原子間的親和力、原子和基團的大小以及復合材料制成后界面上產生的收縮量。對于復合材料中纖維與基體的結合,一般要滿足如下性能:①樹脂與纖維的接觸角盡可能地小,以達到完全浸潤;②樹脂黏度越小,越容易浸潤;③用物理及化學方法清除“薄弱界面”并賦予適當的粗糙度。
在防彈機理中,纖維與基體之間的界面脫粘是復合材料吸收彈體能量的一個重要方式。當界面粘接弱時,裂紋端部出現脫粘,脫粘引起的能量吸收主要取決于粘接強度,當界面粘接強時,纖維被沖斷和纖維端部應力松弛吸收能量。因此,適當降低界面粘接強度有利于提高沖擊韌性。然而界面強度過低,基體與纖維的抱合能力會下降,纖維在彈擊作用下更易產生滑移,影響防彈性能。其中,針對表面惰性較強的UHMWPE纖維,人們開展了一系列表面改性研究。Moon通過氧等離子體刻蝕聚乙烯纖維表面,獲得了滿意的界面性能;Cohen[將具有一定張力的UHMWPE纖維浸在石蠟油中并加熱,發現在149℃左右時,纖維僅僅是表面膨脹而不會發生溶解,結果纖維表面更加粗糙的同時避免了纖維性能的明顯下降,由該纖維增強的乙烯基酯復合材料具備了更加良好的吸能性;鄭震胡等人發現電暈法可使纖維表面氧化產生微坑、表面交聯等,消除了弱邊界層,增大了表面能。
這些方法均具有兩方面的作用,一是通過對纖維表面的蝕刻作用,形成力學咬合力,另一方面是在纖維表面弓1人含氧基團,增強了纖維與樹脂的作用力。
5 防彈復合材料的結構設計
防彈材料自問世以來就以迅猛的速度向前發展,由早期的普通金屬防彈板到單層的纖維增強樹脂基體的防彈復合材料,再發展到當今多層次、梯度化結構復合材料。表3為部分國內外關于防彈復合材料的結構設計。
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從表3中不難看出,織物表層多采用壓縮強度較強的纖維,而內層多采用拉伸強度較大的纖維。除增強材料之外,樹脂基體的性能也是結構設計考慮的重要因素之一。CunningH朝認為,當里層纖維的韌性及斷裂伸長率遠遠小于表層纖維,層與層之間所采用的樹脂模量不低于48.3MPa時,可獲得優良的抗彈性能。Prevorsek認為在防彈材料的外表纏繞兩層互
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