弹道防护用先进复合材料弹道响应的研究进展

本文对弹道防护用先进复合材料的弹道响应研究及其在工程领域的应用现状进行了综述。首先,基于工程应用研究的试验结果,对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维、芳Ⅲ纤维、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维和聚酰亚胺(PI)纤维等高性能纤维的防弹性能及其复合材料在弹道防护工程领域的应用现状进行了概述,近年来先进复合材料的防弹性能随着纤维力学性能的突破而逐渐提高;其次,讨论了先进复合材料弹道响应的影响因素及其作用机制,发现先进复合材料的塑性拉伸变形是其抵挡弹丸侵彻的主要防弹机制;最后,对弹道防护用先进复合材料的研究方向进行了展望。      

超高分子量聚乙烯纤维/水性聚氨酯复合材料层压板抗软钢芯弹侵彻性能及其损伤机制

选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体,采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术,研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明,UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能,但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板,其被侵彻过程可分为三个阶段,依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形,且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%;层压板的分层响应主要发生在第二阶段,并集中在弹着点附近;每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。      

碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制

以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料,超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响,采用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术,研究复合装甲板在53式7.62 mm穿甲弹以弹速为(808(-8)⁺⁷)m/s进行多发弹道侵彻下的损伤模式。研究结果表明：SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗多发弹道侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的降低而逐渐下降,10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是试验中抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构;UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU的防护效率,其还通过降低对陶瓷面板的支撑作用,间接影响陶瓷的防护效率;弹道侵彻后的复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏...     

装甲防护材料抗侵彻性能研究现状

目的分析装甲防护材料抗侵彻性能的研究现状,为改进复合装甲的结构设计提供参考。方法对装甲防护材料的抗侵彻研究现状进行论述,并对其应用情况进行分析。结果分别阐述了金属材料(装甲钢、铝合金和钛合金)、陶瓷复合靶板以及纤维增强复合材料(玻璃纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维)的抗侵彻研究现状,并介绍了其应用情况。结论随着战场环境的日益更新和武器装备的飞速发展,单一的装甲防护材料已难以适应战场环境的不断变化,装甲防护材料将朝着强韧化、轻量化、智能化及多功能化发展。     

大成高强聚乙烯纤维的产业化及其复合材料研究

介绍了大成高强聚乙烯(UHMWPE)纤维性能及特点,以大成高强聚乙烯纤维为增强材料研制开发的各种性能优异的复合材料,在单兵弹道防护装备、航空航天、火箭、战斗机、舰艇、风力发电、高压气瓶、建筑工程结构加固等领域开拓更多的应用情况。     

破片着靶点位置对拼接的UHMWPE板抗侵彻性能影响数值研究

UHMWPE板抗侵彻性能优异但在实际使用过程中需切割成一定尺寸后再拼接安装,半穿甲导弹内爆后形成的高速破片侵彻UHMWPE板时弹着点位置具有随机性。利用数值仿真方法研究破片着靶点位置、破片速度、破片长径比对拼接的UHMWPE板抗侵彻性能的影响。结果表明:破片开始侵彻UHMWPE板时,UHMWPE板在弯矩和剪应力共同作用下出现纤维剪切破坏;随着破片继续侵彻,UHMWPE板主要受到弯矩作用发生纤维拉伸断裂破坏并伴随有严重的分层现象;当破片侵彻两块拼接的UHMWPE板速度较低(小于1 000 m/s)时,拼接的UHMWPE板存在明显的抗弹薄弱区,薄弱区域的范围大约为3倍的弹径;当破片侵彻四块拼接板时,可将靶板划分为薄弱,次薄弱及正常区域。考虑到半穿甲导弹产生破片的大小和安装工艺的方便性,认为UHMWPE板拼接安装时,拼接缝两侧10 cm范围内作为抗弹薄弱区域,需要加固。     

纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

UHMWPE纤维纬编针织复合材料的制备工艺研究

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料,实现其在电脑横机上的编织,将6层纬平针织物、6层罗纹织物以及6层畦编织物分别通过真空辅助树脂传递模塑成型技术(VARTM)复合成复合材料板。VARTM工艺的最大优点是模具简单、成本低、模具抽真空形成负压使纤维与树脂分布更均匀。综合考虑UHMWPE纤维特点及VARTM工艺的工艺条件,实验用树脂为粘度低、浸润性好的环氧树脂;为使制备的复合材料均衡对称,采用(0°,90°)3s铺层方式;成功制备出了比较理想的纬平针、罗纹和畦编UHMWPE纤维纬编针织增强复合材料,为后续UHMWPE纤维纬编针织复合材料力学性能的研究及其拓展领域的应用奠定了一定的理论和实验基础。     

超高分子量聚乙烯纤维复合材料

链延长的超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)在环氧树脂、乙烯基酯类和聚乙烯基体复合材料中的应用,不仅提高了材料的比强度和韧性,而且使其它性能得到改善。其突出的抗冲击性和介电性赋予它在防护屏蔽、电子和结构材料方面应用的巨大潜力。Allied-Signal公司开发的UHMWPE纤维的密度只相当于芳酰胺纤维的2/3,而实验表明,它的冲击性能比芳酰胺纤维高25%。UHMWPE纤维复合材料能有效地吸收低速冲击能量,可将冲击所造成的破坏降低到最低限度。     

玄武岩纤维增强复合材料抗弹性能试验研究

摘要：为了研究玄武岩纤维增强复合材料的抗弹性能,利用不同树脂基体制作了玄武岩纤维增强复合材料靶板试件,进行了弹道测试。研究了玄武岩纤维增强复合材料的抗侵彻性能和典型破坏模式,并分析了不同树脂基体和不同铺层方式对靶板防弹效果的影响。研究表明,玄武岩纤维增强复合材料在受弹体侵彻时,主要呈现局部破坏,破坏形式是迎弹面的纤维剪切失效、背弹面的拉伸断裂失效。另外,根据轻型防护的要求,提出设计新型防护结构的思路。研究结果可以为轻型复合装甲设计提供参考。     

手枪弹对带UHMWPE软防护明胶靶标冲击效应的数值分析

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)防弹衣可以有效地阻止手枪弹的侵彻作用,但仍会对有生目标的机体产生非贯穿钝击伤,其详细机理尚不清楚。非贯穿钝击伤机理可以采用带防护的明胶模拟靶标进行研究,建立了手枪弹高速撞击带UHMWPE软防护明胶模拟靶标有限元计算模型,数值模拟了某7.62 mm手枪弹对带纤维软防护明胶靶标冲击响应过程,数值计算结果与实验结果基本一致,验证了有限元模型的正确性。研究结果掲示了在该7.62 mm手枪弹侵彻过程中,弹体速度、加速度变化规律、软纤维防护层的吸能比例和破坏特征;获得了明胶内瞬时空腔和压力波形成与发展规律,更进一步掲示了手枪弹非贯穿钝击作用力学机理。     

超高分子量聚乙烯纤维增强防弹复合材料研究进展

介绍了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的特点、种类及编织结构,分析了UHMWPE纤维复合材料的防弹机理,总结了UHMWPE纤维的编织结构、树脂基体性能、界面性能等因素对防弹性能的影响,归纳了UHMWPE纤维防弹复合材料的优缺点,并对UHMWPE纤维复合材料的发展进行了展望。     

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。     

三种纤维改性超高分子量聚乙烯复合材料的力学性能

以未处理和偶联剂KH550处理的C纤维、SiC纤维和Al2O3纤维为填充材料,以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为基体,用模压成型法制备了三种纤维改性UHMWPE复合材料,对复合材料的硬度、弯曲强度、拉伸强度和断裂伸长率进行了实验研究,用光学显微镜观察分析了拉伸断面形貌。结果表明,未处理的C纤维、SiC纤维和Al2O3纤维改性UHMWPE复合材料硬度较纯UHMWPE分别提高了11.76%、21%和6%。经KH550处理的三种纤维改性UHMWPE复合材料弯曲强度和拉伸强度均优于未处理纤维的复合材料,已处理的SiC纤维/UHMWPE复合材料弯曲强度和拉伸强度提高较大。KH550处理的三种纤维与UHMWPE基体界面粘接紧密,未处理纤维与UHMWPE基体粘接较差。     

高性能纤维增强树脂基复合材料的研究进展

高性能纤维增强树脂基复合材料在航空、航天等领域应用广泛,本文论述了高性能纤维如碳纤维(CF)、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)、芳纶纤维、PBO纤维的表面改性方法、改性效果的表征手段及改性纤维增强树脂基复合材料的研究进展和方向。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

三维编织超高分子量聚乙烯纤维-碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料摩擦磨损性能

以超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)-碳纤维(CF)三维混杂编织体为增强体,环氧树脂(ER)为基体,通过树脂传递模塑(RTM)工艺制备了三维编织混杂复合材料,研究了其摩擦磨损性能了,并采用混合正压力模型对摩擦系数进行了预测。结果表明,在纤维总体积含量一定的情况下,随着CF体积含量的增加,复合材料的摩擦系数增大,而其比磨损率降低。UH_3D/ER复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,CF_3D/ER复合材料则以磨粒磨损为主,混杂复合材料的磨损机制主要取决于CF与UHMWPE纤维的相对含量 ,通过调节UHMWPE纤维和CF的体积比例可实现对复合材料摩擦磨损性能的有效调控。采用的计算模型可较好地预测UH_3D/ER的摩擦系数。     

陶瓷-活性粉末混凝土复合靶抗侵彻试验研究

为研究陶瓷材料应用到工程防护领域的抗侵彻性能。设计了3块陶瓷-活性粉末混凝土复合靶,利用直径125 mm的特制弹体对陶瓷-活性混凝土复合靶体进行DOP(Depth of Penetration)侵彻试验,得到了弹体的飞行姿态、着靶速度、破坏形态和靶体的侵彻深度、弹坑范围、破坏形态等试验参数,定性分析了陶瓷靶厚度和纤维层约束作用对复合靶体抗侵彻性能的影响;结果表明:陶瓷靶具有优良的抗侵彻性能,在低速(360～400 m/s)情况下对弹体能产生一定侵蚀作用;随着陶瓷靶厚度的增加,陶瓷靶的破坏形态由冲切贯穿型转变为变形凸起型破坏,耗能能力增加,复合靶体的整体抗侵彻能力增强;采用修正的别列赞公式对陶瓷靶的侵彻系数进行了初步分析,并计算了三种厚度陶瓷靶的质量防护系数和差分防护系数。结果表明,试验所用陶瓷靶的抗侵彻能力约为普通C40混凝土的4.9倍,从而为陶瓷材料在重要防护工程的推广使用提供参考。     

UHMWPE球面层合板弹道侵彻性能研究

进行了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)平面层合板、平面夹芯结构以及球面夹芯结构的弹道侵彻实验研究,发现凸球面结构的抗侵彻能力低于平面结构,根据实验现象对球面结构初始曲率的不利影响作了初步分析.应用DYTRAN软件对不同曲率的UHMWPE层合板弹道侵彻进行了数值仿真,分析了层合板曲率对弹道性能的影响规律,认为曲率对层合板变形的限制作用以及由此导致的应力集中是造成抗侵彻能力下降的主要原因.     

层间混杂复合材料装甲板防弹性能及其防弹机制

为研究层间混杂复合材料装甲板的防弹性能及其防弹机制,采用钢芯弹侵彻层间混杂复合材料装甲板。以超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE）纤维、对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane,WPU）树脂和环氧树脂（Epoxy resin,EP）作基体,采用热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的层间混杂复合材料装甲板。研究混杂比例、防弹面和树脂基体对混杂复合材料装甲板防弹性能的影响以及弹击后混杂复合材料装甲板的破坏形貌,分析混杂复合材料装甲板的防弹机制,并对复合材料装甲板的破坏机制进行了分析。结果表明:混杂复合材料装甲板的防弹性能优于其任一单一纤维复合材料装甲板;WPU的防弹性能要优于环氧树脂;以UHMWPE纤维复合材料充当防弹面时,混杂复合材料装甲板具有更好的防弹性能;纤维拉伸变形和装甲板分层是纤维复合材料装甲板主要的吸能方式。