(有用)超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究.pdf

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1、 第22卷 第2期天 津 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITYVol.22 No.2超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究梁子青1,周 庆2,邱冠雄1,王 涛2(1.天津工业大学 复合材料研究所,天津300160;2.中纺投资发展有限公司 研发中心,北京100176)摘 要:讨论了不同基体种类、不同结构超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维复合材料的防弹性能.实验结果表明:聚氨酯(PU)和低密度聚乙烯(LDPE)均可以作为UHMWPE纤维防弹复合材料的基体使用;正交铺层结构为UHMWPE纤维防弹复合材料的首选结构.另外,还研究了

2、基体含量、模压工艺对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的影响,确定以LDPE为基体时其最佳基体含量在260?0左右,同时指出模压工艺对复合材料的防弹性能无显著相关性.关键词:UHMWPE纤维;复合材料;防弹性能中图分类号:TB332;TQ342.7 文献标识码:A 文章编号:16712024X(2003)0220006204Study on ultra-high molecular weigh polyethylene antiballistic compositesLIANG Zi2qing,ZHOU Qing,QIU Guan2xiong,WANG Tao(1.Institute of Co

3、mposite Materials,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China;2.R&D Center of SinotexInvestment&Development Co L TD,Beijing 100176,China)Abstract:The antiballistic performance of UHMWPE fiber composites with different matrix and different construction isresearched in this paper.The result of

4、 experiments shows that PU and LDPE can be used as the matrix ofUHMWPE composites,and thermoplastic matrix and the uni2directional construction will be preferred.Fur2thermore,the influence of matrix contents and the hot pressing process on the ballistic performance is studied.The most suitable matri

5、x content of LDPE is 260?0.It is also found that there is no obvious relationship betweenthe hot pressing process and the antiballistic performance of the composites.Keywords:UHMWPE fiber;composites;antiballistic performance 传统钢制防弹材料的防护水平能满足使用要求,不过重量和刚性严重降低了此类材料在使用中的舒适性,而且还存在跳弹伤人的危险.芳纶纤维的发明在防弹复合材料的发

6、展史上是一个巨大的进步.采用芳纶织物制成的软质防弹背心在穿着舒适性上取得了革命性的突破.而UHMWPE纤维的出现又进一步提高了软质防弹复合材料的防护性能.与芳纶相比,UHMW2PE纤维具有更高的强度、模量、比强度、比模量及声波传递速度,这几个因素均与纤维的防弹性能密切相关.一般认为,上述几个指标越高,纤维的防弹性能越好.Lee等人1的实验结果表明,UHMWPE纤维的防弹性能超过以Kevlar纤维为代表的芳族聚酰胺纤维.同时,UHMWPE纤维比芳纶纤维的耐气候老化性要好,并且不吸水,不吸潮,因而对环境的适应性更好.对个体防护而言,通常在防护等级要求较高的情况下,如主要威胁为尖头弹、钢芯弹时,需要

7、单独使用插板或者将插板与软质防弹背心结合使用,还需要使用头盔.在防弹头盔的设计中重量因素是除防护性能外最重要的因素,同样防护等级的UHMWPE纤维头盔和芳纶头盔在重量上有很大的差异,前者比后者要轻300?0500?02.因此使用UHMWPE纤维制成的头盔可以最大限度地减轻佩戴者疲劳程度,避免较大重量头盔带来的严重的不舒适感,有利于头盔佩戴者集中精力执行任务.本文以国产化的UHMWPE纤维为实验对象,研究了不同基体种类、不同结构的UHMWPE纤维复合材料的防弹性能,分析了UHMWPE纤维复合材料在弹道冲击下的响应特征.另外,本文还研究了基体含量、模压工艺对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的收稿日

8、期:2002-07-08 作者简介:梁子青(1972),男,江西省修水县人,博士研究生;邱冠雄(1940),男,上海市人,教授,博士生导师.影响.1 实验设计1.1 实验用UHMWPE纤维 本研究使用中纺投资发展有限公司生产“孚泰”牌UHMWPE纤维,纤维细度为400Den/60f,力学性能见表1.为了加以比较,表1中同时列出了荷兰DSM公司生产“DyneemaSK”2及美国的Allied Signal公司推出的“Spectra”3UHMWPE纤维的基本力学性能.表1 几种UHMWPE纤维的力学性能项目DyneemaSK60SK66SK77Spectra90010002000孚泰密度/(gcm

9、-3)0.970.970.970.970.970.970.97拉伸强度/GPa2.73.23.92.593.03.02.8拉伸模量/GPa89991377911311681断裂伸长/0?03.53.83.83.52.72.93.01.2 基体树脂选择 基体在防弹复合材料中的作用主要是提供适当的界面结合强度,避免纤维在弹丸冲击下产生滑移,充分发挥纤维高强高模特性.UHMWPE纤维由于大分子主链上没有极性基团,不能和基体产生化学键结合,故界面强度不高.不过由于界面脱粘也是弹丸冲击下材料的一种吸能方式,所以这一特点对UHMWPE纤维复合材料的防弹性能反而有利.研究人员使用不同的基体树脂1,47研究了

10、UHMWPE纤维复合材料的弹道冲击性能.从防弹效果和实际应用看,热塑性基体更为合适1,5.在本研究中,使用了聚氨酯(PU)和低密度聚乙烯(LDPE)两种基体树脂.1.3 防弹复合材料结构的选择UHMWPE纤维防弹复合材料最常用的结构是0/90 正交铺层结构.这种结构形式需要使用AlliedSignal发明的“单向排列”技术.该项技术的基本内容是将纤维束经导丝辊展开后浸胶形成单向布,两个系统的单向布相互垂直排放后压合形成正交铺层结构.其优点主要有:(1)最大限度利用纤维高吸能特性,避免了因纤维屈曲而产生的额外能量损失;(2)纤维对载荷的响应速度快,有利于分散和减小“钝伤”对人体的伤害;(3)纤维

11、在加工过程中强力损失小.具体的应用形式有用于软质防弹衣的有膜结构和用于硬质防弹衣的无膜结构,分别如图1(a)和(b).(a)有膜结构(b)无膜结构图1UHMWPE纤维复合材料结构 除正交铺层结构以外,本文还采用平纹织物、斜纹织物和纬编双轴向织物作为复合材料的增强体结构,测试了这几种结构形式复合材料的防弹性能.1.4 影响复合材料防弹性能的因素考虑 在上述实验方案的基础上,本文以LDPE为基体,以弹道冲击下靶片的穿透比率为指标,考察了复合材料防弹性能随基体含量的变化关系.另外,本文还采用正交试验方法,设计了一组实验,研究了模压工艺对复合材料防弹性能的影响.2 实验部分2.1 以LDPE和PU为基

12、体的UHMWPE纤维复合材料的防弹性能 在实验中使用的是薄膜形式的LDPE和热塑性聚氨酯,实验样品规格及防弹效果见表2.表2数据说明,这两种基体树脂能够提供适当的界面粘合强度,均可以作为UHMWPE纤维复合材料的基体使用,且防弹性能较好.7第22卷 第2期 梁子青等:超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究 表2 以LDPE和PU作为基体的UHMWPE纤维复合材料防弹性能 基体面密度/(kgm-2)总层数/层穿透层数/层凹陷深度/mm凹陷直径/mmLDPE7.2248159.6637.58PU7.20481412.37540.4 注:两组靶板基体含量均为260?0,实验用枪为五四手枪,弹丸为五一

13、铅芯弹,下同.2.2 不同增强结构的UHMWPE纤维复合材料的防弹性能 使用LDPE作为基体,分别加工成软质和硬质的防弹复合材料.弹道冲击实验表明,硬质的防弹复合材料由于整体性较好,纤维的协同效应更明显而表现出更高的防弹性能,如表3.对其它结构形式的UHMW2PE纤维复合材料防弹性能测试结果如表4.该结果从另一个角度表明正交铺层结构的确是UHMWPE纤维防弹复合材料的首选结构.表3 软质和硬质UHMWPE纤维复合材料防弹性能类别面密度/(kgm-2)凹陷深度/mm凹陷直径/mm片材7.229.667.58板材7.227.4838.26 注:基体均为含量260?0的LDPE.表4 不同结构UHM

14、WPE纤维硬质复合材料的防弹性能结构形式基体含量/0?0面密度/(kgm-2)弹击情况平纹织物267.82穿透斜纹织物268.68穿透双轴向织物268.50穿透 注:基体均为含量260?0的LDPE.2.3 软质、硬质防弹复合材料的冲击响应差异 观察UHMWPE纤维软质防弹复合材料和硬质防弹复合材料弹击实验后的靶材发现,两种材料的弹道冲击响应特征大体相同,也存在一定差异.在弹击后的两种材料中都存在明显的剪切充塞和拉伸变形(背凸).不同之处在于软质材料的脱粘区域主要存在于被剪切纤维的两侧,如图2(a),而硬质材料的脱粘区域主要沿纤维的轴向扩展,如图2(b).这可能是由于前者的脱粘由弹丸将纤维向四

15、周挤开形成,而后者因基体对纤维的抱合能力强,除将四周纤维挤开外,在被剪切纤维的轴向能形成很强的横向应变波,这种应变波是造成界面脱粘的主要因素.而在软质防弹复合材料中,靶片易于随弹丸冲击发生整体的弯曲,不致于在纤维和基体的界面形成强的横向应变波.另外在硬质材料中能观察到明显的分层现象,如图2(c).(a)片材剪切及脱粘(b)板材剪切及脱粘(c)板材分层现象图2UHMWPE纤维复合材料在 弹丸冲击下的响应特征2.4 基体含量和压制工艺对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的影响 一共制作了13组不同基体含量的UHMWPE纤维/LDPE复合材料,每组靶片的层数相同,用丝量相同,但基体用量不同.弹道冲击实

16、验后,以基体含量为横坐标、靶片的穿透比率为纵坐标作图3.压制工艺对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的影响见表5.图3 靶片穿透比率随基体含量的变化规律 图3中,R=穿透层数/靶片总层数.从图3看,随着基体含量的提高,基体对纤维的抱合能力增大,有助于纤维发挥其良好的抗张性能.同时,靶片的防弹性能也明显提高.当基体含量超过260?0以后,靶片的防弹性能反而呈现出下降趋势,可能是由于基体用量的增大使得相邻靶片中纤维的距离加大,降低了靶片中纤维的整体效应造成的.这说明采用LDPE作为基体的UHMWPE纤维复合材料的最佳基体含量为260?0左右.表5和表6表明UHMWPE纤维复合材料的防弹性能受压制工艺

17、变化的影响不大.这说明其防弹性能对加工工艺条件的变化不敏感.相对而言,通过对实验结果的分析,3个因素中压力的影响可能要突出一些.8 天 津 工 业 大 学 学 报 2003年4月表5 正交试验方案表实验号温度(A)/压力(B)/MPa时间(C)/h实验值实验值平方11002.312248421004.5218.5342.2531009.0316.5272.2541102.3216.5272.2551104.5316.75280.562 561109.0117.25297.562 571202.3318.25333.062 581204.5117.75315.062 591209.0215.75

18、248.062 5K15756.7557K=159.25W=2 845.062 5K250.55350.75K351.7549.551.5U2 825.770 82 826.604 22 825.604 2p=K2/9=2 817.840 3Q7.930 58.763 97.763 9QT=W-P=27.222 2QE2.763 9表6 方差分析表来源离差自由度均方离差S2F值A7.930 523.965 252.869 3B8.763 924.381 953.170 8C7.763 923.881 952.809误差2.763 921.381 95总和27.222 28F0.05(2,2)=

19、19 注:实验值以弹道冲击后靶片的穿透层数表示,每组样品进行5发实验,取穿透层数平均值.3 结论 本文采用LDPE和PU两种热塑性基体,用实验的方法研究了UHMWPE纤维复合材料的防弹性能,结果表明这两种基体均可以应用于UHMWPE纤维防弹复合材料,且效果较好.通过对比不同结构的UHMWPE纤维复合材料的防弹性能,证明了正交铺层结构为UHMWPE纤维复合材料的最佳结构.在分析UHMWPE纤维复合材料片材和板材的弹道冲击响应后,确定纤维的剪切和拉伸变形是靶板在弹击作用下两种主要的响应方式,板材还会出现明显的分层现象.另外,本文讨论了基体含量和压制工艺对UHMWPE纤维/LDPE复合材料防弹性能的

20、影响,得出最佳基体含量为260?0和压制工艺对靶片防弹性能无显著相关性这两点重要结论.参考文献:1Lee B L,SongJ W,Ward J E.Failure of spectra polyethy2lene fiber2reinforced composites under ballistic impact load2ingJ.Journal of Composites Materials,1994,(13):1202-1225.2Hearle J W S.High2performance Fibers M.Cambridge:Woodhead Publishing Limited,20

21、01.62-92.3Kirkland K M,Tam T Y,Weedon G C.New Third2Gen2erationProtectiveClothingfromHigh2PerformancePolyethylene Fiber,HIGH2TECH FIBOUS MATRIALSM.Washington:American Chemical Society,1991.215-237.4Zee R H,Hsieh C Y.Energy loss partitioning during ballis2tic impact of polymer compositesJ.Polymer Com

22、posites,1993,13(3):265-271.5陈利民.超高分子量聚乙烯纤维在防弹材料上的应用J.工程塑料应用,1995,23(6):31-34.6Walsh T H,Lee B L,Song J W.Penetration failure ofspectra polyethylene fiber2reinforced grade compositesJ.Key Engineering Material,1998,141-143:367-382.7Prevorsek D C,Kwon YD,Chin HB.Analysisof the tem2perature rise in the projectile and extended chain polyethy2lene fiber complsite armor during ballistic impact and pene2trationJ.Polymer Engineering and Science,1994,34(2):141-152.9第22卷 第2期 梁子青等:超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究