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【行业资讯】高分子复合材料在装甲防护上的研究与应用进展
来源: 时间: 2020-09-17 浏览: 1373

轻量化与强防护是装甲装备发展的永恒主题,而同时又是一对相互制约的矛盾。纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、正向的复合效应、性能和功能的可设计性等特点,其密度只有装甲钢的1/8~1/4,比强度是装甲钢的(4~10)倍;其防护机理不同于装甲钢和陶瓷主要依靠高硬度抵御弹丸侵彻,而主要是能量吸收机制,即通过材料塑性变形和断裂吸收能量,不仅具有良好的防穿甲性能,还具有优异的防碎片、防爆轰波性能。因此,高性能纤维抗弹复合材料用于装甲防护,能够大幅度地减轻装甲质量,或在相同质量条件下提供更高的抗弹性能,是解决装甲装备轻量化与强防护矛盾的关键材料技术。

1.装甲防护用纤维复合材料研究与应用进展

纤维复合材料是采用高性能纤维织物或混杂纤维织物,在一定的工艺条件下与树脂基体复合而制得的具有较高防弹性能、能满足特定防护需求的材料。其抗弹性能一般用单位面密度复合材料对特定弹种(或碎片模拟弹)的能量吸收值来表征,通常简称为比吸能(SEA)。

目前用于制备高性能抗弹复合材料的增强纤维主要有玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、聚苯并双噁唑(PBO)纤维等;所用树脂基体可以是热固性树脂,也可以是热塑性弹性体,使用较多的是聚烯烃树脂、改性酚醛树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂等,也可采用几种树脂基体混合使用,以得到最佳的防护性能。

与金属防护材料相比,纤维复合材料具有以下显著优点:(1)密度低、比强度和比模量高;(2)可设计性强;(3)良好的工艺性。由于具有以上显著的优点,高性能抗弹复合材料越来越多地被用于现代装甲车辆的装甲防护,以达到减轻装甲质量和提升防护性能的目的。根据纤维复合材料采用的增强纤维种类不同,目前装甲防护领域常用的纤维复合材料可分为玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、超高分子量聚乙烯纤维复合材料、PBO纤维复合材料等。

1.1 玻璃纤维复合材料

玻璃纤维复合材料是第一代装甲防护用抗弹复合材料,其价格比较低廉,抗弹性能良好,并兼具优良的结构性能。对同一口径、同一种类的弹丸,玻璃纤维复合装甲的抗弹能力可达到等重薄钢板的3倍以上,并对破甲弹具有使射流弯曲、不规则断裂失稳的能力。

目前用于玻璃纤维复合材料的玻璃纤维主要包括高强玻璃纤维和无碱玻璃纤维(E玻纤)两种,其中高强玻璃纤维有美国的S-2玻纤、日本的“T”玻纤、俄罗斯的“ВМЛ”玻纤、法国的R玻纤和国产的HS系列玻纤(见表1)。

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表1 玻璃纤维的性能

1.2 芳纶纤维复合材料

芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维复合材料是第二代装甲防护用抗弹复合材料,与玻璃纤维复合材料相比,其材料密度进一步降低,而防护性能得到较大提升。目前主要用于复合装甲和多功能内衬材料。

芳纶纤维包括对位芳纶纤维和间位芳纶纤维两大类,其中在抗弹复合材料领域应用的主要是对位芳纶纤维。对位芳纶纤维是对位芳香族聚酰胺纤维的简称,它是美国杜邦公司在20世纪70年代开发的一种高性能纤维材料。目前工业化生产的对位芳纶纤维主要是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维(见图1),称为芳纶1414或芳纶Ⅱ。对位芳纶纤维具有刚性棒状的分子结构和高度取向的分子链结构,赋予纤维高强度、高模量、耐高温特性,同时还具有耐化学腐蚀、耐疲劳等优点,是一种理想的抗弹材料。

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图1 对位芳纶分子结构

1.3 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维在所有高强高模纤维中密度最小,与芳纶纤维相比,超高分子量聚乙烯纤维具有更高的强度、模量、比强度、比模量及声波传递速度,其耐气候老化性也优于芳纶纤维,并且不吸水,不吸潮,因而对环境的适应性更好;其主要的缺点是纤维的耐热性低和阻燃性较差,纤维的最高应用温度不超过120 ℃,极限氧指数只有17。

目前国外工业化生产的超高分子量聚乙烯纤维主要有荷兰DSM公司的“Dyneema”纤维和美国Honeywell公司的Spectra纤维等,主要性能见表2。

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表2 国外超高分子量聚乙烯纤维性能

1.4 PBO纤维抗弹复合材料

PBO纤维是聚苯并双噁唑(Poly-p-phenylene benzobisthiazole)纤维的简称,其特有的由苯环和芳杂环组成的刚棒形分子结构(见图2)和高度取向的分子链结构使纤维具有极佳的力学性能,并具有很好的耐热性能和阻燃性能,因此被认为是目前强度最高、综合性能最好的高性能有机纤维。 

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图2 PBO分子结构图

PBO纤维突出的高强、高韧性能使其具有极佳的能量吸收特性,同时其微纤化结构和较低的界面粘接性能使其复合材料可通过原纤化和分层变形进一步吸收冲击能量,因此特别适合用于防护领域的抗弹抗冲击材料(见图3)。在相同的条件下,PBO纤维复合材料的最大冲击载荷和能量吸收远高于芳纶和碳纤维:PBO纤维复合材料的最大冲击载荷可达3.5kN,能量吸收为20J;而T300碳纤维复合材料的最大冲击载荷为1kN,能量吸收约5J;芳纶复合材料的最大冲击载荷约为1.3kN。

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图3 PBO纤维与芳纶纤维、碳纤维的性能特性对比

1.5 混杂纤维抗弹复合材料

混杂纤维复合材料可以弥补单一纤维材料的性能缺陷,使复合材料具有良好的综合性能,同时,可以合理利用价格昂贵的纤维和低成本的纤维混杂增强同一树脂基体,使材料成本降低,更具有实用性。为达到最佳的混杂效果,混杂方式可以采用层内混杂、层间混杂、层内混杂并层间混杂等。

瑞典防务研究所采用PBO纤维与碳纤维混杂制备兼具抗弹和结构性能的结构轻质装甲,研究了不同纤维配比、树脂基体和排列结构等因素对混杂装甲材料抗弹及结构性能的影响(见图4),在此基础上分别采用ZYLON AS织物/环氧树脂和真空RTM工艺、ZYLON AS织物/PVB膜和模压工艺两条技术路线制备了热固性、热塑性结构装甲材料,可用于装甲车辆、战斗机和战斗舰船。

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图4 瑞典纤维混杂结构轻质装甲性能

2.聚合物透明装甲材料研究与应用进展

透明装甲是指兼具透光、透像功能和一定防弹能力的透明防护材料/结构,主要用于各种窗口和观瞄部位的防护。它最早应用于军用飞机的前风挡及尾舱观察窗,后来逐渐发展到各种军用设施和装甲车辆上。

与传统装甲不同,透明装甲选用的材料必须对可见光透明,这就大大限制了其材料选择的范围。目前透明装甲使用的防护材料主要包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)等有机聚合物透明材料以及浮法玻璃、透明陶瓷等无机透明材料,使用的夹层粘接材料主要包括聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯、有机硅、丙烯酸酯等。

2.1 聚甲基丙烯酸甲酯透明装甲材料

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)即有机玻璃,作为一种热塑性材料,它比大多数种类的无机玻璃拥有更好的抗冲击性。有机玻璃在军事领域的应用可以追溯到第二次世界大战,它是当时飞机上轻型顶盖罩和座舱盖的唯一可选材料。

2.2 聚碳酸酯透明装甲材料

聚碳酸酯(PC)的冲击强度是有机玻璃的20倍,而且比有机玻璃拥有更高的玻璃化温度和更强的耐火性,因而可更好地满足透明装甲提高防弹性能和减重的要求。表3是聚碳酸酯材料和有机玻璃材料的防弹性能对比(以钢珠为子弹),可以看出,3 mm厚的聚碳酸酯材料和10 mm厚有机玻璃材料的防弹性能基本相当,同时聚碳酸酯中弹后只是局部产生直径小于10 mm的“鼓包”变形,而其他部分无任何损伤,具有典型的韧性材料特征;而有机玻璃有大面积的裂纹产生,并有碎片溅出,具有脆性破坏特征。

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表3 PC与PMMA的防弹性能比较

2.3 聚氨酯透明装甲材料

聚氨酯(PU)分子由硬、软段组成,可以通过调节硬、软段的组成或结构对聚氨酯的特性进行调整,以满足不同的应用要求。近年来,聚氨酯材料在透明装甲上的应用越来越广泛。由它制成的产品既可以是坚硬易碎的(用于面板),也可以是柔软易曲的(用于背板)。对一种聚氨酯面罩进行的弹道实验结果显示,在同等质量的基础上,它比由聚碳酸酯和PMMA制成的面罩的防弹性能要强得多;同时,多种透明的聚氨酯已经表现出比聚碳酸酯更好的耐折能力,同时还具有更强的耐久性和抗划伤能力。

原文出自《材料工程》:

魏化震等.高分子复合材料在装甲防护上的研究与应用进展[J].材料工程,2020,48(8):25-32

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000207

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中国复合材料学会将于2020年11月5日-7日举办第八届国际复合材料科技峰会暨第四届国际复合材料产业创新成果技术展览会。会议旨在立足复合材料产业发展新态势,加快复合材料产业变革进程、加强科技创新、深化交流合作;紧扣复合材料行业发展新动向,倡导基础理论前瞻性与应用研究实用紧密结合,引导复合材料相关技术的加速突破;贯彻落实复合材料发展新理念,促进复合材料“产政学研用”进一步融合,提升复合材料行业的国际竞争力。

会议日程

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会议分会场及征文

本次会议采用征集论文简报的形式进行征稿,目前拟筹备以下四个分会场,涵盖复合材料各个方面,其中分会场主题及分会场执行主席为:

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欢迎复材相关的广大科技工作者投稿及咨询,投稿至邮箱isct@csfcm.org.cn,更多详情点击阅读原文查看。

峰会联系人:张力心

联系电话:010-82026470/18310499369

联系邮箱:isct@csfcm.org.cn

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