纤维复合材料的弹道吸能研究

本文通过大量的实弹试验考察与分析了芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维复合材料弹道吸能随面密度、弹速、成型压力、树脂基体含量等改变而变化的规律, 揭示出不同纤维复合材料在不同条件下的防弹能力。研究结果对防弹复合材料及其轻质复合装甲的优化设计具有较重要的参考意义。      

热塑性树脂基体对超高分子量聚乙烯纤维复合材料力学性能和抗弹道侵彻性能的影响

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道响应及力学行为的影响。研究结果显示：相比单一的热塑性树脂体系,以热塑性树脂混合体系作为基体制备的UHMWPE复合材料具有更优异的抗弹道侵彻性能、更高的拉伸破坏强度和层间剪切破坏强度,这是由于混合树脂体系中的UHMWPE纤维具有更高的可利用效率;此外,基于横向压缩诱导的间接张力机制和弹道侵彻下的大变形行为诱导的膜力效应,UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度呈现正相关的关联机制。     

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。      

织物弹道贯穿性能分析计算

纤维织物增强复合材料由于轻质和高冲击损伤容限而在防弹装甲设计及制造中逐渐得到应用,如人体防弹衣和车辆防护装甲。但是尚无较好的方法直接计算复合材料防弹特性,其中困难在于复合材料弹道冲击过程中的应变率效应和冲击破坏机理至今没有被揭示。解决问题的第一步是建立复合材料增强相(即织物)防弹特性计算方法。提出基于纤维力学性质应变率效应的织物弹道冲击破坏分析模型,计算不同面密度织物靶体在弹道贯穿过程中的弹体剩余速度,由此反映靶体防弹特性。用本文中提出的简单算法预测的结果与实测结果在靶体厚度不大时极为接近,而且也有可能将其扩展到纤维织物增强复合材料防弹性质的计算。     

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防弹复合材料正交试验设计与分析EI北大核心CSCD

铺层结构和成型工艺是影响超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight Polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料弹道防护性能的重要因素。为评估各因素对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的影响程度,基于正交试验设计建立了铺层角度以及包括温度、压强、时间三个热压成型工艺条件下的4因素3水平正交表并进行了9组弹道极限试验。通过对试验结果进行极差和方差分析表明,各试验因素对弹道防护影响程度由大到小依次为铺层角度、成型时间、成型压强和成型温度。此外,研究发现:[(0°/90°)_(2)]_(2n)和[(-45°/45°)_(2)]_(2n)铺层复合材料弹道冲击吸能体现为多破坏模式协同耗能,而[(0°/90°)_(2)/(-45°/45°)_(2)]n准各向铺层复合材料的弹道冲击吸能体现为单一破坏模式耗能;综合考虑防弹性能和成本确定的最优组合为成型温度120℃、压强25 MPa、时间20 min,铺层角度[(0°/90°)_(2)]_(2n)。     

硬质防弹纤维复合材料的研究进展

本文分三个方面,即高性能纤维的选材、纤维和树脂对防弹性能的影响以及复合材料的整体防弹机理,对硬质防弹复合材料研究中涉及的选材、成型条件和复合方式等因素,进行了较为详细的述评,尤其对超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究给予特别关注,并指出了当前防弹复合材料领域研究的热点.     

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。     

高强型聚酰亚胺纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能研究

采用S35高强型聚酰亚胺(PI)纤维作为增强体，热塑性树脂作为基体，采用热压工艺制备了织物结构和正交单向无纬(UD)结构复合材料靶板，通过弹道极限速度测试和背部变形测试，研究了增强体结构和界面结合强度对PI纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能的影响。结果表明：高强型聚酰亚胺纤维表现出了优异的防弹性能；UD结构靶板更适用于防铅芯弹；织物结构靶板更适用于防破片；当界面剥离强度由5.45N/cm提高到26.44N/cm时，剥离后界面处的纤维表面形貌的破坏程度逐渐增加。当侵彻体为5.6g铅芯弹时，随着界面剥离强度的提高，复合材料靶板的防弹性能呈现出先提高后降低的趋势；并且靶板的背部变形逐渐减小，进一步证明了界面结合强度对复合材料靶板防弹性能的影响。     

军用防弹防爆方舱主要材料与结构

目的提高军用方舱的防护性能,满足机动作战、立体攻防的总体要求。方法分析军用方舱在现代战争中面临的主要威胁,并对防爆防弹方舱的主要防护材料及防护结构进行对比研究。结论研制成本低、强度高、质量轻、体积小的高性能纤维复合材料和新结构是军用防爆防弹方舱的发展方向。     

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。     

能量平衡法在防弹性能估算中的应用研究

为了合理设置装甲板,并进行有效的性能评估,使用图解方法研究了能量平衡原理在装甲板弹道性能估算中的应用,并以不饱和聚酯树脂基玄武岩纤维增强复合材料和钢为例进行了实验验证,研究表明：估算过程中虽然没有从装甲板的毁伤机理方面研究,并简化了抗弹性能的影响参数,但保证了较高的估算精度,预测速度偏差在50m/s以下,预测相对偏差在10%以下,能够满足工程需要。     

The effect of hybridization on the ballistic impact behavior of hybrid composite armors

In the present study, effect of hybridization on the hybrid composite armors under ballistic impact is investigated using hydrocode simulations. The hybrid composite armor is constructed using various combinations and stacking sequences of fiber reinforced composites having woven form of fibers specifically high specific-modulus/high specific-strength Kevlar fiber (KF), tough, high strain-to-failure fiber Glass fiber (GF) and high strength/high stiffness Carbon fiber (CF). Different combinations of composite armors studied are KF layer in GF laminate, GF layer in KF laminate, KF layer in CF laminate and CF layer in KF laminate at various positions of hybridized layers for a fixed thickness of the target. In this article the results obtained from the finite element model are validated for the case of KF layer in a GF laminate with experimental predictions reported in the literature in terms of energy absorption and residual velocity and good agreement is observed. Further, the effect of stacking sequence, projectile geometry and target thickness on the ballistic limit velocity, energy absorbed by the target and the residual velocity are presented for different combinations of hybrid composite armors. The simulations show that, at a fixed thickness of the hybrid composite armor, stacking sequence of hybridized layer shows significant effect on the ballistic performance. The results also indicate energy absorption and ballistic limit velocity are sensitive to projectile geometry. Specifically, it is found that arranging the KF layer at the rear side, GF layer in the exterior and CF layer on the front side offers good ballistic impact resistance. The hybrid composite armor consisting of a CF layer in KF laminate acquires maximum impact resistance and is the best choice for the design compared to that of other combinations studied.     

仿生柔性防护装具的设计及防弹性能测试

依据仿生学原理,借鉴硬骨鱼鳞的微观结构及叠加模式,设计并制备了6套仿生柔性防护装具。使用了两种复合鳞片,分别为SiC陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合防护鳞片和Al₂O₃陶瓷-UHMWPE复合防护鳞片。对柔性防护装具进行侵彻测试,分析了复合鳞片类型、覆盖角度和子弹侵彻位置对柔性鳞片防护装具防弹性能的影响。结果表明,新型柔性鳞片状防护装具均能成功抵挡速度为(445±10) m/s的手枪弹(铅芯)侵彻,垫层材料的凹陷深度为5~20 mm。SiC-UHMWPE复合鳞片防护装具的防弹性能显著优于Al₂O₃-UHMWPE复合鳞片防护装具。此外,柔性防护装具的防弹性能均随着鳞片覆盖率的增加而提高。本研究成果为新型柔性防护装具的设计提供理论依据和科学指导。      

A simplified microstructure model of bi-axial warp-knitted composite for ballistic impact simulation

The ballistic impact damage of a bi-axial warp-knitted (BWK) composite was simulated based on a simplified microstructure model. The microstructure was simplified by transferring the BWK composite into an equivalent laminate. Residual velocities of conically cylindrical steel projectiles (Type 56 in China Military Standard) and impact damage of the BWK composite were calculated with finite element method (FEM) and compared with those in experimental. Good agreements between FEM and experimental were found. The agreements verify the availability of the simplified model for the ballistic performance prediction of the BWK composite. We expect such an effort could be extended to the design of the BWK composites in field of aircrafts, high speed vehicles and ballistic protections.     

Modeling of the ballistic behavior of gradient design composite armors

The application of gradient design concept in armors offers possibilities in the reduction of weight and cost without significant reduction of ballistic resistance. Experimental results of composite backed plates consisting of layers of ceramic spheres embedded in epoxy showed that a ballistic limit of 3000 ft/s (1000 m/s) can be achieved, as shown in Fig. 1, without weight penalty compared to solid ceramic tiles. The ceramic sphere facing also provides the feasibility for flexible armor manufacturing. The design of such materials includes a plethora of parameters. In order to develop a precise methodology for the optimization of gradient design composite armors, an improved understanding of the relative significance of the design parameters must be developed. One way to study the relative significance of these parameters is through computational modeling. Computational limitations impose compromises in the modeling of both geometry and material behavior. Two types of models are discussed: (a) an approximate fiber/epoxy two-phase model for the backing; and (b) a damage-based, rate-dependent model for the ceramic spheres embedded in the epoxy. The development of a library of fiber architectures based on the unit cell has been initiated, which will open the possibility of the structural optimization along with simulation of the high velocity impact phenomena of advanced composites.     

先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战

先进树脂基复合材料已经成为一类最重要的航空航天结构材料。主要介绍了国内外先进树脂基复合材料增强纤维、树脂基体、制造技术和结构功能一体化技术的发展,以及先进树脂基复合材料的考核应用状况,并讨论分析了先进树脂基复合材料的发展趋势与面临的机遇和挑战。先进树脂基复合材料发展目前面临的机遇与挑战有:树脂基复合材料继续向高性能化发展;结构功能一体化树脂基复合材料呈现多功能化和尖端化趋势;基于多尺度建模和表征的复合材料设计技术迎来极其重要的发展机遇;多功能化成为未来碳纳米复合材料发展的重要目标;环境友好催生绿色复合材料、热塑性复合材料以及高效循环再利用技术;智能复合材料技术支撑更大、更集成化复合材料整体结构的可靠应用;“互联网”时代复合材料将面临研究方式的深刻变革。      

Experimental and Numerical Investigations on the Ballistic Performance of Polymer Matrix Composites Used in Armor Design

Ballistic properties of two different polymer matrix composites used for military and non-military purposes are investigated in this study. Backside deformation and penetration speed are determined experimentally and numerically for Kevlar 29/Polivnyl Butyral and Polyethylene fiber composites because designing armors for only penetration is not enough for protection. After experimental ballistic tests, a model is constructed using finite element program, Abaqus. The backside deformation and penetration speed are determined numerically. It is found that the experimental and numeric results are in agreement and Polyethylene fiber composite has much better ballistic limit, the backside deformation, and penetration speed than those of Kevlar 29/Polivnyl Butyral composite if areal densities are considered.     

生物质纤维基包装复合材料的研究现状

目的综述纤维基复合材料在包装中的应用和研究现状。方法介绍国内外生物质纤维基复合材料在发泡型材料、薄膜、板材等不同种类包装材料中的应用现状,分别总结各类包装材料使用的基材及制备工艺,比较不同纤维基复合材料的性能差异,指出复合材料在制备工艺及性能上的不足,并展望纤维基包装复合材料的发展前景。结果纤维素具有天然的化学结构,使纤维基材料具有良好的力学性能、阻隔性、可降解性,较好地应用在不同包装材料中。结论纤维基复合材料具有性能优良、可生物降解、经济环保等特点,在包装领域具有较大发展潜力,在原料的选择、制备工艺绿色化及性能的可控性等方面还有较大的研究空间。