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【科研进展】国外玻璃纤维等抗弹材料的研究进展

发布时间:2022-08-16 02:34:34 来源:竞博jbo体育 作者:jbo竞博电竞app

  当前,世界各国都在不断研发和优化各类新型抗弹材料,以增强车辆和单兵的弹道防护性能。高性能纤维复合材料具有轻质、高强、抗弹性能优异等特点,是研究最多、市场发展最快和最有前途的抗弹材料。以美国为代表的军事发达国家特别关注高性能抗弹纤维及其复合材料的发展,美国陆军研究实验室等国防科研机构和受国防部资助的大学近些年开展了大量研究工作。本文主要介绍玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维、PBO和M5纤维及其复合材料在国外的研发、应用现状与性能水平。

  玻璃纤维(GF)的拉伸强度高、断裂伸长率大、冲击性能好、抗疲劳、化学稳定,不足之处是密度较大。GF复合材料是第一代较廉价的抗弹装甲材料。美国步兵战车、俄罗斯主战坦克和印度主战坦克的装甲都采用了GF夹层。美国海军两栖攻击舰和俄罗斯航母的干弦也采用了GF复合材料抗弹防护结构。E-玻纤(E-GF)和S-2玻纤(S-2GF)是常被研究和应用的两种型号。S-2GF比E-GF有更高的强度和延伸率。

  研究人员等研究了S-2GF增强酚醛树脂/氧化铝陶瓷装甲的抗穿甲弹性能,发现此复合装甲有极佳的陶瓷/复合材料面密度比,对穿甲弹有很高的抗弹性能。研究了新一代舰船用GF聚合物基复合材料的抗爆炸冲击性能,其制得的夹芯复合板由E-GF、Dow510A-40溴化乙烯酯形成的面皮和Tycor、聚氯乙烯泡沫、轻木(Balsa)形成的核芯层构成。

  美国密歇根州立大学对GF增强的聚合物基复合材料进行了广泛研究,并向陆军研究实验室提交了报告。其制备了基于S-2GF/SC-15环氧树脂的复合材料;研究了由正交平织GF毡布和环氧树脂基体构成的复合材料的尺寸效应对高压载荷下行为的影响;开发了基于GF的高抗冲三轴准三维机织复合材料,并对其进行冲击测试表明,三轴准三维复合材料的刚度比二维机织和层压样品分别高出12.5%和20%;通过树脂传递模塑工艺制备了车辆防护板用玻璃纤维毡增强的SC-15环氧树脂复合板,平均拉伸模量和拉伸强度分别为20.06GPa和383.65MPa,平均压缩模量和压缩强度分别为31.83GPa和258.60MPa,平均剪切模量和剪切强度分别为5.62GPa和97.43MPa,平均弯曲模量和弯曲强度分别为16.23和334.61MPa;最后他们还利用S-2GF毡布制得预制件,采用真空辅助树脂传递模塑工艺对预制件浸渍SC-15环氧树脂,生产出车用复合保险杠支架。

  美国陆军工程研发中心还研究了负载碳纳米管的E-GF复合材料的能量耗散和高应变速率动态响应。他们在E-GF毡上生长碳纳米管,然后将负载碳纳米管的E-GF毡与树脂结合,形成复合材料。对材料进行力学性能和弹道性能测试表明,负载碳纳米管的复合材料在高应变速率下比吸收能提高106%,准静态应变速率下5个循环周期后能量密度耗散提升64.3%,V50值提高11.1%。

  芳纶纤维具有高比强度、高断裂伸长率的特点,在相同面密度情况下,芳纶/树脂复合材料的抗弹能力是GF/树脂复合材料的2~3倍,在很多领域可全面替代GF/树脂复合材料。

  美国克莱姆森大学联合陆军研究实验室等机构采用传统有限元法对抗弹纤维毡进行数值分析,用以确定材料的穿透阻力和对冲击的整体挠曲、变形、破坏响应。该团队的研究人员等还进一步对平织纤维增强的聚合物基复合材料的弹道冲击/爆炸防护计算分析模型进行了优化升级。2014年,又研究了PPTA(聚对苯二甲酰对苯二胺)基材料微结构/性能的关系,开发出多长度尺度计算方法,来确定不同尺度上各种微结构特征对PPTA基毡布或PPTA纤维增强的聚合物基复合材料的宏观弹道抗侵彻性能的影响。

  意大利卡西诺和南拉齐奥大学等将平纹织毡与热固性树脂复合制成层压材料,并对制备的复合装甲进行了Walker数值模型预测和弹道性能测试。美国陆军研究实验室等以扁平条带状透明尼龙单丝为增强体,以与之折射率相匹配的透明环氧树脂为基体制备出一种透光率约为40%的复合材料,并对材料进行弹道实验,所得材料V50值大于305m/s,远高于环氧树脂和聚碳酸酯。

  美国桑迪亚国家实验室研究了加捻(twist)对抗弹纤维纱横向冲击性能的影响,并利用高速摄像机测量了由冲击引发的欧拉横波速度。结果表明,欧拉横波速度随纤维纱加捻数量的提高而提高,意味着更高的弹道性能。因此,在抗弹纤维毡中使用加捻的纤维纱能提升材料的弹道性能。研究了磁场对芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维弹道性能的影响。研究者分别将芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维夹在两组相反的稀土磁体之间,测试磁场斥力对材料弹道性能的作用。结果表明,磁场斥力能抑制子弹进入芳纶纤维的前面板。

  对芳纶纤维进行纳米改性或对其复合材料纳米填充也会改善抗弹性能。研究人员通过在纤维表面生长垂直的ZnO纳米线来增强界面强度。纤维的界面强度比裸纤维提高了96.9%,拔出测试的峰值载荷提升达6.5倍。ZnO纳米线强化了纤维的拔出性能,进而也提高材料的弹道冲击保护水平。

  研究人员等研究了纳米颗粒填充剂对抗冲击复合材料的影响,对研磨碳纤维和纳米颗粒(碳纳米管和核壳橡胶颗粒)同时填充的纤维复合材料进行了V50弹道测试。结果显示,纳米核壳橡胶颗粒填料由于空穴作用对冲击过程中的能量吸收有效,同时也使弹道性能显著提高。碳纳米管填料能提高基体-纤维的界面性能,也使得弹道性能有显著提高。二者对复合材料的V50抗弹性能有增强作用。复合材料添加质量分数1%的研磨碳纤维并添加1%的纳米颗粒,能将V50相对于参照样品分别提高7.3%(碳纳米管)和8%(核壳橡胶颗粒)。

  超高分子量聚乙烯纤维密度小、抗吸湿性能好、断裂伸长率较高,是目前已经商业化的比强度最好的纤维之一。荷兰帝斯曼迪尼玛公司生产的一种超高分子量聚乙烯复合材料,是未来作战系统实现轻质、防护性能的主要商用材料之一。该公司推出的由聚乙烯纤维增强的硬质轻型防弹复合材料,其强度比芳纶强40%。美国公司使用超高分子量聚乙烯纤维开发并演示了一种车辆防爆系统。

  国外对纤维及复合材料进行了大量研究。研究人员等采用直接抓紧法测试了单纤维在多重负载速率下的拉伸性质,解决了由于纤维直径太小和表面能太低而难以用传统的黏着法进行准确测量的问题。研究人员研究了不同纤维正交层压复合层板在弹道冲击下的显微断面,推导出冲击过程中层离、层开裂和纤维扭折等失效模式的发生顺序,得到主要的能量吸收断裂过程,并确定这些过程如何受制备条件和目标响应的影响。

  研究人员研究了不同面密度的HB26层压板的损伤力学和界面作用,以评价材料的极限速度和失效机理。对分别采用超高分子量聚乙烯纤维和分子取向条带增强的HB50和BT10m两种复合层压板的连续侵彻变形和断裂机制进行了研究,探讨了HB50纤维和BT10m条带增强的区别。研究人员使用纤维制造了具有不同偏度和构型的微编织物,通过一系列冲击测试评估了不同微编织物增强的聚合物基复合材料的弹道性能。结果显示,微编织物增强的聚合物复合材料的弹道极限比由单向纤维制造的正交层压复合材料提高了近20%。

  研究人员比较了不同结构的均质、杂化热塑性复合材料在不同温度下的破片弹道性能。这些复合材料体系的构成分别为多层芳纶毡布(Twaron,RUSLAN-SVM)/低密度聚乙烯基体复合层压板。基于多层超高分子量聚乙烯体系、以及杂化的芳纶层压板。结果表明,温度对芳纶毡布/低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯复合材料的V50值影响较小,但在低温下实验数据的发散性提高。在高速冲击下,基于超高分子量聚乙烯纤维的层压板的V50值和吸收能优于其他材料。但当射弹速度超过弹道极限时,其能量吸收能力急剧下降。

  此外,研究人员还研究了纱线抓持(yarngripping)对超高分子量聚乙烯织毡弹道性能的影响,阐明了通过创建新型织毡结构可有效增强纱间摩擦的可行性。研究人员研究了不同厚度的超高分子量聚乙烯复合板针对两种口径破片模拟弹的弹道性能。研究表明,随着靶板厚度的增大,样品呈现两段侵彻过程:第一阶段是初始的剪切冲塞,侵彻发生在纤维剪切中,靶板不发生挠曲;第二阶段是凸起,亚层脱离靶板并在纤维拉伸中经受了大的挠曲和侵彻。研究人员对侵彻的两个阶段进行了仔细研究,并开发出一个分析模型对之描述。

  碳纤维的杨氏模量通常是传统玻璃纤维的三倍多,是纤维的两倍左右,在军事装备的轻量化和提高生存性方面有重要应用潜力。2015年,美国乔治亚理工学院开发出一项基于聚丙烯腈(PAN)纺丝技术的凝胶纺丝连续碳纤维制备新工艺,制得的PAN基碳纤维的平均拉伸强度在5.5~5.8GPa之间,拉伸模量在354~375GPa之间,拉伸模量比广泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纤维高出25%~36%,其具备的强度和模量组合是PAN基连续碳纤维的最高值组合。未来通过优化材料和工艺,PAN基碳纤维的强度和模量将会得到更大的同步提高。

  研究人员研究了碳纤维复合材料在受到弹道冲击时结构的剩余强度,使用不同口径的射弹在低速和高速冲击下对材料进行弹道测试,观测了试样的损伤程度,然后制备冲击后的拉伸、压缩和剪切试样,并进行力学测试。结果显示,在明显高于弹道极限的冲击速度下,具有弹道冲击损伤的试样残余强度显著低于原始样品,但并不显著低于具有与射弹相同口径的机械加工孔的试样。研究碳纤维聚合物复合材料的弹道损伤对飞机设计和损伤修复非常重要。

  研究人员致力于针织碳纤维(T300)复合材料的研究,目的是通过开发针织技术减少材料面内性能的衰减,这些面内性能都与沿厚度方向的增强技术有关,包括Z向增强技术、缝缀和簇绒技术等。研究人员开发出独特的内部针织加工工艺,可以使z向纤维以不同的角度(45/90)嵌入到复合层压板内部,并有效减少拉伸强度的损失,显著提升压缩强度。

  研究人员研究了热塑性聚氨酯夹层膜片增韧的碳纤-玻纤/环氧树脂杂化复合材料的多冲击耐久性,具体内容包括热塑性聚氨酯(TPU)夹层增韧的无褶皱IM7碳纤-S2玻纤杂化复合层压板的制备工艺及其对冲击性能的影响。结果显示,通过真空辅助树脂传递模塑和固化/后固化工艺可以成功制备TPU增韧的杂化材料,且过程几乎没有或很少有扭曲和缺陷。样品在冲击测试中表现出良好的性能,但仍需开发模型以充分研究TPU夹层的增强机制。

  为研究三维编织结构对材料力学性能的影响,研究人员对制备的碳纤-玻纤三维杂化织物复合材料及其SC-15环氧树脂基体进行了力学测试。研究发现,编织构型对两种复合材料在拉伸负载下的失效至关重要;碳纤/玻纤杂化复合材料在两个方向上表现较不平衡,在经纱方向的强度和模量比纬纱方向高许多,且在经、维方向上的失效类型不同。

  研究人员通过把环氧-乙烯基酯真空浸渍到杂化三维正交机织预成型体中,制造出平板复合材料。预成型体上面四层为玻璃纤维,下面两层为碳纤维、玻纤与碳纤层之间是在填充方向上取向的杂化层。研究发现,如果试样的碳纤维面受到冲击,杂化三维复合材料的能量耗散将得到提升。

  PBO(聚对-亚苯基苯并双噁唑)纤维最初由美国空军研发,后来的产品由日本公司制造,PBO纤维被称为是可替代芳纶纤维的未来超高性能纤维,这种纤维密度比芳纶低,而力学性能和耐环境性能远优于其他芳纶纤维。

  2006年,美国加利福尼亚大学与美国陆军签订合同,进行弹道试验以确定Zylon纤维的抗弹性能。结果表明,Zylon纤维比Kevlar29性能更好,用于装甲,会有效增强防护性能和机动性。尽管PBO纤维具有轻质高强高模等优点,但在防护应用中受限于使用过程的力学性能退化。为解决此问题,研究人员开发了一种超临界CO2化学试剂扩散后处理工艺来处理PBO纤维,以降低其力学性能衰退速度,延长使用寿命。美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员对超临界CO2后处理稳定化PBO纤维进行了研究,以超临界CO2作为提取剂萃取PBO纤维上残存的磷酸和水分,并以之为媒介引入多种物质中和磷酸,减弱水和酸对PBO纤维的降解作用。

  抗弹纤维的叠丝可能是性能衰减的一个因素。研究人员研究了折叠对抗弹PBO纤维性能衰减的作用,通过实验确定了这种失效机制对装甲防护性能的影响。他们还进一步研究了折叠对抗弹纤维内部结构的影响。日本研究人员对PBO纤维做了大量研究,例如,他们研究通过热处理来提高高模PBO纤维的拉伸和疲劳强度,研究剪切速率对高模PBO纤维拉伸强度的影响等。

  M5(聚2,5-二羟基-1,4苯撑吡啶并二咪唑)纤维是由l公司开发,其结构与PBO相似,但分子中含有羟基,故大分子链间可以形成氢键,压缩性能比PBO要好。

  美国特拉华大学曾与陆军研究实验室一起对M5纤维进行了系列基础研究。首先,对M5纤维内分子间氢键的形成进行了红外光谱分析和动力学研究,结果表明热处理促进了纤维内聚合物链间的氢键的生成,计算得出分子链间的氢键形成活化能为14.8kJ/mol;又对比研究了三种高性能纤维的界面行为,结果显示,M5表现出比其他纤维更高的界面剪切强度;还研究了氢键和水分循环对M5纤维压缩性能的影响,发现氢键的增多将导致纤维压缩强度升高,水分循环实验揭示了材料中部分氢键的可逆性。


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