混杂防弹复合材料的结构优化及弹道机理分析

柴晓明，肖　露，程建芳，张华鹏,b

(浙江理工大学 a.材料与纺织学院; b.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

混杂防弹复合材料的结构优化及弹道机理分析

柴晓明a，肖露a，程建芳a，张华鹏a,b

(浙江理工大学 a.材料与纺织学院; b.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

根据芳纶纤维、高强玻璃纤维和碳纤维力学性能的各向异性和靶板破坏特征，制备单一组份织物及混杂增强复合材料，同时以靶板对弹体的动能吸收能力为研究对象，对复合材料中树脂质量分数和织物铺层顺序进行实验研究及优化，以提高其防弹性能.研究表明：在复合材料靶板面密度接近情况下，树脂质量分数为20%左右，复合材料的弹道性能最佳；结构优化后，抗压和抗剪切性能好的无机纤维织物放置在着弹面，抗拉性能好的有机纤维织物放置在背弹面，这种混杂复合材料的防弹性能高于单一织物增强复合材料；当混杂复合材料从着弹面到背弹面按照碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维织物的顺序铺层时，得到的靶板具有更佳的防弹性能.

混杂复合材料；树脂质量分数；铺层顺序；弹道性能

高性能纤维增强复合材料具有重量轻、防弹性能强等诸多优良性能，被广泛应用于人体防护和车辆装甲[1].为提高复合材料的防弹性能，研究者们提出许多办法，其中最有代表性的是混杂法[2].混杂法是依据靶板受弹体冲击时着弹面和背弹面破坏动能吸收机理的不同，分别放置具有相应力学性能的高性能织物与树脂制作混杂复合靶板.混杂复合材料将破坏模式与动能吸收机理相匹配，能最大限度地提高靶板的防弹性能.文献[3]对Kevlar-49和S- 玻璃纤维层内(玻璃纤维和芳纶长丝交织成织物)与厚向混杂(玻璃纤维织物在着弹面，芳纶织物在背弹面)复合材料防弹性能进行研究，结果显示混杂方式不同对防弹性能有较大影响.文献[4]研究发现，在芳纶与聚乙烯醇厚向混杂时，聚乙烯醇质量分数小于20%的混杂体具有更强的抗弹能力.文献[5]用试验与数值分析相结合的方法，证明玻璃纤维在前、芳纶纤维在后的混杂顺序可以实现最佳的防弹能力.文献[6]将芳纶纤维增强复合材料作为着弹面、聚对苯撑苯并双口恶唑(PBO)纤维增强复合材料作为背弹面，采用三段式Hopkinson压杆装置来研究混杂复合材料的防弹性能，发现两种材料的质量比为0.52时，单位面密度动能吸收最大.文献[7]将Kevlar-29纤维织物引入玻璃纤维织物增强材料中，发现混杂后复合材料的防弹性能提高.文献[8]对混入芳纶织物后的碳纤维增强复合材料进行研究，发现混入芳纶后的混杂体防弹性能得到了提高.文献[9]研究了碳纤维/超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维/PBO纤维厚向混杂复合材料的防弹性能，发现有机纤维(超高分子量聚乙烯和PBO)在背弹面、无机纤维(碳纤维)在着弹面的混杂增强材料，其动能吸收能力均比单一超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维增强复合材料的高.文献[10]研究了E-glass纤维和碳纤维织物增强复合材料的弹道冲击性能，发现玻璃纤维作为着弹面时靶板的防弹性能最好.文献[11]对S-2 玻璃纤维和石墨纤维织物增强混杂复合材料的弹道性能进行了测试和数值分析，同样发现不同的铺层顺序对混杂复合材料的防弹能力影响较大.

上述研究主要采用热固树脂与织物混杂制作防弹材料，而同种织物、不同树脂复合时，热塑性树脂基复合材料具有更好的防弹性能[12].本文选用Kevlar 129,S-2玻璃纤维和T300-6K碳纤维3种高性能纤维织物作为增强材料，聚酰胺6热熔胶膜(PA6)作为基体材料，通过树脂和织物叠层后热压方式制备单一织物、多种织物增强复合材料，优化单一织物增强复合材料中树脂质量分数，改变不同织物的铺层顺序制作混杂复合材料，分析不同结构复合材料的弹道动能吸收机理.

1　试验部分

1.1试验材料

聚酰胺6热熔胶膜，上海远智热熔胶有限公司；Kevlar 129芳纶平纹布，美国杜邦公司；S-2玻璃纤维平纹布，南京玻璃纤维研究设计院；T300-6K碳纤维平纹布，日本东丽公司.3种织物的规格参数如表1所示.

表1　高性能织物参数Table 1　Specification of high-performance fabrics

1.2防弹复合材料的制备

防弹复合材料的制备采用层压成型工艺，试样尺寸为170 mm×170 mm.防弹复合材料的制备工艺流程如图1所示.本文采用的工艺参数：成型温度为115 ℃，成型压力为7.5 MPa，成型时间为20 min[13].

1.2.1靶板树脂质量分数的优化

本文通过改变胶膜层数改变树脂的质量分数，分别设定两层织物间的树脂膜层数为1，2，3层，并设置不含树脂的对比试验组.按照奇数层织物经纱方向相同、偶数层织物经纱与奇数层织物经纱垂直的方向铺置(0°/90°铺层顺序)织物，参照图1所示工艺流程制作相应靶板，并进行弹道性能测试，研究靶板树脂质量分数对防弹性能的影响，优选防弹性能最佳时的树脂质量分数.同类试样制作3块，计算其弹道性能参数平均值，靶板的具体规格参数如表2所示，其中K，S，C分别表示Kevlar 129、 S-2玻璃纤维、T300-6K碳纤维织物，其下角标数字表示织物层数.由于碳纤维织物面密度约为芳纶纤维织物或玻璃纤维织物的两倍，其一层织物相当于同样面积大小的两层玻璃纤维或芳纶纤维织物的质量，因此，制作碳纤维织物靶板时，选择的织物层数较少.

图1　层压成型工艺流程Fig.1　Process of the composite laminating

表2　不同树脂质量分数的靶板规格Table 2　Specification of composite laminates with different resin mass fractions

1.2.2混杂复合材料铺层顺序的优化

根据防弹复合材料所受横向冲击的特点，以及3种不同高性能纤维织物的力学各向异性特征，织物的铺层分两种情况：无机纤维(玻璃纤维或碳纤维)在前作为着弹面，有机纤维(芳纶纤维)在后作为背弹面.以优化后的树脂质量分数为基础，采用0°/90° 的铺层方式，制作不同铺层顺序的混杂复合材料，进行弹道测试，选出防弹性能达到最优时的织物铺层顺序.同类试样制作3块，计算其弹道性能参数平均值.表3列出了不同铺层顺序的混杂复合材料靶板的主要参数.写在左边的织物表示靠近着弹面，右边的织物表示远离着弹面，其下角标数字表示织物层数.

表3　不同铺层顺序的混杂复合材料靶板的参数Table 3　Specification of hybrid composite laminates with different lamination sequence

(续　表)

1.3弹道冲击侵彻试验

靶板弹道性能测试采用空气炮装置，如图2所示.其中，1为固定装置，2为枪管，3为红外测速屏，4为靶板，5为测速器，6为弹体收集装置.该装置通过测试弹体穿透靶板前后的速度，计算弹体动能减少量以衡量靶板的防弹性能，具体测试原理可参照文献[13]，本文不再赘述.

图2　弹道冲击试验装置示意图Fig.2　Sketch of ballistic impact test installation

1.4防弹性能指标

1.4.1靶板对弹体的动能吸收

根据弹体初始速度和剩余速度，采用式(1)计算靶板对弹体的动能吸收.

(1)

其中:E为靶板的动能吸收，J；m=5.8 g为弹体质量；vo和vr分别为弹体初始速度和剩余速度,m/s.

1.4.2靶板的弹道极限速度

弹道极限速度是指弹体穿透靶板概率为50%时的弹体平均速度.本文以弹体剩余速度为0时的弹体初始速度作为靶板的弹道极限速度，在得到靶板对弹体的动能吸收值基础上，通过式(2)近似计算v50[15].

(2)

1.4.3靶板的弹道性能指数

靶板弹道性能指数是指单位面密度内靶板吸收弹体的动能，是评价靶板防弹性能的重要指标.本文通过式(3)计算靶板弹道性能指数B,(J·m2)/kg.

(3)

其中：S为靶板面密度，kg/m2.

2　结果与分析

2.1靶板树脂质量分数的优化

不同树脂质量分数靶板的弹道冲击结果如图3所示.由图3可知，随树脂质量分数的增加，3种复合材料的3项弹道性能指标均呈先增加后减小的趋势，且都在树脂质量分数为20%左右时达到最优.由图3(a)和3(b)可以看出，复合材料对弹体的动能吸收能力均高于无树脂叠层织物(树脂质量分数为0)，主要原因在于树脂的存在提高了各层织物之间的协同作用能力和复合材料的抗弯能力.由图3(c)可以看出，树脂质量分数大的复合材料的弹道性能指数低于树脂质量分数小的复合材料，甚至低于无树脂叠层织物，这说明复合材料对弹体的动能吸收能力主要由高性能纤维决定，这与文献[16]的研究结果一致.因此，本文选定树脂层数为1层，即复合材料的最佳树脂质量分数为20%.

(a) 树脂质量分数与弹道极限速度的关系

(b) 树脂质量分数与动能吸收的关系

(c) 树脂质量分数与弹道性能指数的关系图3　含不同树脂质量分数混杂复合材料靶板的弹道冲击结果Fig.3　The ballistic impact results of hybrid composite laminates with different resin mass fractions

2.2混杂复合材料铺层顺序的优化

不同铺层顺序混杂复合材料的弹道测试结果如表4所示.由表4可知，采用无机纤维织物在前、有机纤维织物在后的铺层顺序(试样13，15，17)时，靶板的3项弹道性能指标均大于有机纤维织物在前、无机纤维织物在后的铺层顺序(试样14，16，18)的靶板.原因是防弹复合材料的弹道冲击过程为横向冲击(沿靶板厚度方向)，在靶板四周固定条件下，着弹面主要是依靠剪切和压缩破坏吸收动能，背弹面主要是靠拉伸破坏吸收动能.玻璃纤维和碳纤维织物的横向剪切和压缩性能较好，但纵向拉伸断裂应变较小；芳纶纤维织物的纵向拉伸断裂应变和断裂能要优于无机纤维织物，但横向剪切和压缩性能较差，两者纵向与横向的力学性能各向异性明显[17-18]，因此，将抗压、抗剪切能力强但纵向拉伸应变小的无机高性能纤维织物放置在着弹面，抗压、抗剪切能力弱但纵向拉伸应变大、拉伸强度高的有机高性能纤维织物放置在背弹面，为较佳的铺层顺序.

表4　不同铺层顺序混杂复合材料靶板的冲击结果Table 4　The ballistic impact results of hybrid composite laminates with different stacking sequence

2.3防弹复合材料的动能吸收能力分析

采用最佳树脂质量分数和织物铺层顺序制备单一织物增强和混杂织物增强复合材料，其弹道冲击结果如表5所示.由表5可以看出，就单一纤维织物增强复合材料而言，3种织物增强复合材料的防弹性能由强到弱的排列顺序：芳纶织物(试样4)、高强玻璃纤维织物(试样5)和碳纤维织物(试样6)增强复合材料.对比单一织物增强复合材料和混杂织物增强复合材料可以看到，部分混杂织物增强复合材料的防弹性能优于前者，尤其是试样13和15，其v50相对试样4分别提高了10.31%和3.59%,说明无机纤维在前、有机纤维在后的混杂顺序可提高靶板的防弹性能，使不同纤维织物的性能得到充分的发挥.

表5　复合材料靶板弹道冲击结果Table 5　The ballistic impact results of different composite laminates

分别将玻璃纤维织物、碳纤维织物与芳纶织物混杂，图4和5分别列出了不同混杂情况下芳纶织物的质量分数(mK)与v50和B的关系.由图4和5可知，随着芳纶织物质量分数(层数)的增加，复合靶板的防弹性能先增加后降低.试样13和15的防弹性能与纯芳纶织物增强复合材料相比有了明显改善，v50分别提高了10.31%和3.60%，弹道性能指数分别提高了19.46%和14.64%，且采用3种纤维织物按碳纤维织物、玻璃纤维织物、芳纶织物顺序复合的试样17的防弹性能最优.

图4　v50与mK的关系Fig.4　The relationship between v50 and mK

图5　B与mK的关系Fig.5　The relationship between B and mK

2.4靶板破坏吸能机理分析

弹体对复合材料冲击过程会产生应力/应变波(即冲击波)，这种波又分为纵波和横波[19].纵波主要沿纤维轴向传播，通过基体树脂及交错点的相互作用，使更多的纤维起到吸收动能的作用；横波主要沿靶板厚度方向传播，使靶板发生分层而吸收部分动能.图6列出了各靶板受冲击后的形貌特征，其中，左图为着弹面，右图为背弹面.

(a) 试样4

(b) 试样5

(c) 试样6

(d) 试样13

(e) 试样15

(f) 试样19

(g) 试样20

(h) 试样17图6　不同复合材料靶板受冲击后形貌图Fig.6　Damage morphology of different composite laminates

由图6可以看出，各复合材料的破坏特征大致相同：在着弹面，弹体对靶板的损伤仅为与弹体直径差不多大小的孔洞，即主要集中在弹体与靶板的接触区域；弹丸接触靶板后产生的应力波沿着织物中纱线轴向传播，使损伤孔洞周围沿经纱和纬纱方向隐约出现“+”形的突起.这说明弹体对靶板主要是局部损伤[20].

同一靶板的着弹面和背弹面的破坏特征差异较大，原因是产生的冲击波在传播过程中，遇到经、纬纱交叉点或织物和树脂交界面时分成透射波和反射波，透射波使更多的织物参与吸收动能，反射波又进一步损伤织物和树脂.由于弹体速度比较快，着弹面几层织物达到破坏时的横向位移很小，其纱线受到压缩和剪切作用较强，在未受到拉伸以前就断裂而发生剪切和压缩破坏，所以纤维的断裂面较整齐，弹孔几乎为圆形.随着弹体侵彻的进行，背弹面周围的纱线受到越来越强的拉伸作用，变形也越来越大，弹体的动能转化成纱线的形变势能，直至达到其断裂能而发生拉伸断裂，同时纱线大的变形和横向位移也使背弹面产生鼓包，所以背弹面有长短不一的纤维拔出.

无机纤维(玻璃纤维和碳纤维)的横向剪切和压缩性能较好，而有机纤维(芳纶纤维)具有很高的纵向拉伸力学性能.混杂复合材料采用无机纤维在正面、有机纤维在背面的顺序，符合靶板着弹面是剪切破坏、背弹面是拉伸破坏的特征及分布特点，从而使高性能纤维织物的性能得到充分发挥，能最大化地吸收弹体动能，进而提高靶板整体防弹性能.

树脂对复合材料的性能有一定程度的影响，所含树脂的质量分数关系到靶板层间作用力、抗弯曲能力及靶板中纱线之间的滑移能力.树脂质量分数较小或无树脂时，纱线间束缚力小，弹体作用时容易将纱线挤向四周，与弹体直接作用的纱线减少，从而导致动能吸收能力低，同时靶板极易分层，致使纱线性能得不到完全发挥，靶板的整体结构性能也相对降低.树脂质量分数较大时，靶板抗弯曲能力提高，弹体冲击时纤维剪切和压缩破坏增加，纤维拉伸破坏作用减少，从而导致复合材料吸收动能的能力降低，同时由于树脂为复合材料中的弱相，树脂质量分数的增大会导致靶板面密度增加.树脂质量分数为20%左右时，其仅存在于织物之间而不会侵入到纱线内部，复合材料的抗弯曲能力、分层能力和纱线之间摩擦力的大小合理，从而使靶板的动能吸收能力达到最大.

3　结　语

(1) 对于热塑性树脂基复合材料，树脂质量分数在20%左右时，防弹复合材料对弹体的动能吸收、弹道极限速度和弹道性能指数达到最大值，树脂质量分数太大或太小会使复合材料的防弹性能下降.

(2) 根据纤维纵横向力学性能的差异，结合靶板受到弹体横向冲击作用时的特征，将抗压、抗剪切的无机高性能纤维织物放置在着弹面、抗拉的有机高性能纤维织物放置在背弹面，可以提高复合材料对弹体的动能吸收能力.

(3) 纤维织物增强复合材料受到弹击后的各项弹道性能指标表明：在相同面密度下，铺层顺序优化后的混杂织物增强复合材料的防弹能力优于单一织物增强复合材料.

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Structural Optimization and Ballistic Mechanism Analysis of Hybrid Bulletproof Composite

CHAIXiao-minga,XIAOLua,CHENGJian-fanga,ZHANGHua-penga,b

(a.College of Materials and Textiles; b.Key Laboratory for Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Based on the mechanical anisotropy of high-performance fibers of aramid,S-glass,carbon fiber,and the failure characteristics of targets,composites reinforced by aramid,S-glass or carbon fiber woven fabrics respectively and hybrid composites reinforced by combination of those fabrics were prepared.To improve the ballistic performance,the projectile energy absorption capability,resin mass fraction and stacking sequence were experimentally studied and optimized.The research results show that at about 20% resin mass fraction,the best ballistic performance can be obtained.After stacking sequence optimization,the hybrid composites with better ballistic performance are those with more shear and compression resistant inorganic carbon or S-glass fabrics lying in the frontal side and more tension resistant organic aramid fabric lying in the distal side of the composite target,even higher ballistic performance can be achieved by hybrid composite reinforced by carbon/S-glass/aramid fabrics where aramid fabric lies in the distal side of the composite target.

hybrid composites; resin mass fraction; stacking sequence; ballistic performance

1671-0444(2015)02-0148-07

2013-11-04

国家自然科学基金资助项目(51073141)；浙江理工大学521人才培养计划资助项目

柴晓明(1987—)，男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为产业用纺织品.E-mail: Light198765@163.com

张华鹏(联系人)，男，教授，E-mail：roczhp@163.com

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