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      公司新聞

      芳綸纖維等抗彈材料的研究進展

      來源:     時間:2020-11-06 點擊數:

              當前,世界各國都在不斷研發和優化各類新型抗彈材料,以增強車輛和單兵的彈道防護性能。高性能纖維復合材料具

      有輕質、高強、抗彈性能優異等特點,是研究最多、市場發展最快和最有前途的抗彈材料。以美國為代表的軍事發達國家

      特別關注高性能抗彈纖維及其復合材料的發展,美國陸軍研究實驗室等國防科研機構和受國防部資助的大學近些年開展了

      大量研究工作。本文主要介紹玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維和PBO纖維在國外的研發、應用現狀

      與性能水平。


                    


              1.芳綸纖維

              芳綸纖維具有高比強度、高斷裂伸長率的特點,在相同面密度情況下,芳綸/樹脂復合材料的抗彈能力是玻璃纖維/樹

      脂復合材料的2~3倍,在很多領域可全面替代玻璃纖維/樹脂復合材料。

      美國克萊姆森大學聯合陸軍研究實驗室等機構采用傳統有限元法對抗彈纖維氈進行數值分析,用以確定材料的穿透阻力和

      對沖擊的整體撓曲、變形、破壞響應。該團隊的研究人員等還進一步對平織纖維增強的聚合物基復合材料的彈道沖擊/爆炸

      防護計算分析模型進行了優化升級。2014年,又研究了PPTA(聚對苯二甲酰對苯二胺)基材料微結構/性能的關系,開發

      出多長度尺度計算方法,來確定不同尺度上各種微結構特征對PPTA基氈布或PPTA纖維增強的聚合物基復合材料的宏觀彈

      道抗侵徹性能的影響。

      意大利卡西諾和南拉齊奧大學等將平紋織氈與熱固性樹脂復合制成層壓材料,并對制備的復合裝甲進行了Walker數值模型

      預測和彈道性能測試。美國陸軍研究實驗室等以扁平條帶狀透明尼龍單絲為增強體,以與之折射率相匹配的透明環氧樹脂

      為基體制備出一種透光率約為40%的復合材料,并對材料進行彈道實驗,所得材料V50值大于305m/s,遠高于環氧樹脂和

      聚碳酸酯。

              美國桑迪亞國家實驗室研究了加捻(twist)對抗彈纖維紗橫向沖擊性能的影響,并利用高速攝像機測量了由沖擊引

      發的歐拉橫波速度。結果表明,歐拉橫波速度隨纖維紗加捻數量的提高而提高,意味著更高的彈道性能。因此,在抗彈纖

      維氈中使用加捻的纖維紗能提升材料的彈道性能。研究了磁場對芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維彈道性能的影響。研究

      者分別將芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維夾在兩組相反的稀土磁體之間,測試磁場斥力對材料彈道性能的作用。結果表

      明,磁場斥力能抑制子彈進入芳綸纖維的前面板。

              對芳綸纖維進行納米改性或對其復合材料納米填充也會改善抗彈性能。研究人員通過在纖維表面生長垂直的ZnO納米

      線來增強界面強度。纖維的界面強度比裸纖維提高了96.9%,拔出測試的峰值載荷提升達6.5倍。ZnO納米線強化了纖維的

      拔出性能,進而也提高材料的彈道沖擊保護水平。

              研究人員等研究了納米顆粒填充劑對抗沖擊復合材料的影響,對研磨碳纖維和納米顆粒(碳納米管和核殼橡膠顆粒)

      同時填充的纖維復合材料進行了V50彈道測試。結果顯示,納米核殼橡膠顆粒填料由于空穴作用對沖擊過程中的能量吸收

      有效,同時也使彈道性能顯著提高。碳納米管填料能提高基體-纖維的界面性能,也使得彈道性能有顯著提高。二者對復合

      材料的V50抗彈性能有增強作用。復合材料添加質量分數1%的研磨碳纖維并添加1%的納米顆粒,能將V50相對于參照樣品

      分別提高7.3%(碳納米管)和8%(核殼橡膠顆粒)。


              2.玻璃纖維

              玻璃纖維的拉伸強度高、斷裂伸長率大、沖擊性能好、抗疲勞、化學穩定,不足之處是密度較大。

              美國密歇根州立大學對玻璃纖維增強的聚合物基復合材料進行了廣泛研究。其制備了基于S-2GF/SC-15環氧樹脂的復

      合材料;研究了由正交平織GF氈布和環氧樹脂基體構成的復合材料的尺寸效應對高壓載荷下行為的影響;開發了基于GF的

      高抗沖三軸準三維機織復合材料,并對其進行沖擊測試表明,三軸準三維復合材料的剛度比二維機織和層壓樣品分別高出

      12.5%和20%;通過樹脂傳遞模塑工藝制備了車輛防護板用玻璃纖維氈增強的SC-15環氧樹脂復合板,平均拉伸模量和拉伸

      強度分別為20.06GPa和383.65MPa,平均壓縮模量和壓縮強度分別為31.83GPa和258.60MPa,平均剪切模量和剪切強度

      分別為5.62GPa和97.43MPa,平均彎曲模量和彎曲強度分別為16.23和334.61MPa。


              3.超高分子量聚乙烯纖維

              超高分子量聚乙烯纖維密度小、抗吸濕性能好、斷裂伸長率較高,是目前已經商業化的比強度最好的纖維之一。研究人

      員等采用直接抓緊法測試了單纖維在多重負載速率下的拉伸性質,解決了由于纖維直徑太小和表面能太低而難以用傳統的黏

      著法進行準確測量的問題。研究人員研究了不同纖維正交層壓復合層板在彈道沖擊下的顯微斷面,推導出沖擊過程中層離、

      層開裂和纖維扭折等失效模式的發生順序,得到主要的能量吸收斷裂過程,并確定這些過程如何受制備條件和目標響應的影

      響。

              研究人員研究了不同面密度的HB26層壓板的損傷力學和界面作用,通過一系列沖擊測試評估了不同微編織物增強的聚

      合物基復合材料的彈道性能。結果顯示,微編織物增強的聚合物復合材料的彈道極限比由單向纖維制造的正交層壓復合材料

      提高了近20%。


              4.碳纖維

              碳纖維的楊氏模量通常是傳統玻璃纖維的三倍多,在軍事裝備的輕量化和提高生存性方面有重要應用潛力。2015年,美

      國喬治亞理工學院開發出一項基于聚丙烯腈(PAN)紡絲技術的凝膠紡絲連續碳纖維制備新工藝,制得的PAN基碳纖維的平均拉

      伸強度在5.5~5.8GPa之間,拉伸模量在354~375GPa之間,拉伸模量比廣泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纖維高出25%~

      36%,其具備的強度和模量組合是PAN基連續碳纖維的最高值組合。未來通過優化材料和工藝,PAN基碳纖維的強度和模量

      將會得到更大的同步提高。


           


              5.PBO纖維

              PBO(聚對-亞苯基苯并雙噁唑)纖維最初由美國空軍研發,后來的產品由日本公司制造,PBO纖維被稱為是可替代芳

      綸纖維的未來超高性能纖維,這種纖維密度比芳綸低,而力學性能和耐環境性能遠優于其他芳綸纖維。

              2006年,美國加利福尼亞大學與美國陸軍簽訂合同,進行彈道試驗以確定Zylon纖維的抗彈性能。結果表明,Zylon纖

      維比Kevlar29性能更好,用于裝甲,會有效增強防護性能和機動性。盡管PBO纖維具有輕質高強高模等優點,但在防護應用

      中受限于使用過程的力學性能退化。為解決此問題,研究人員開發了一種超臨界CO2化學試劑擴散后處理工藝來處理PBO纖

      維,以降低其力學性能衰退速度,延長使用壽命。美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員對超臨界CO2后處理穩定化

      PBO纖維進行了研究,以超臨界CO2作為提取劑萃取PBO纖維上殘存的磷酸和水分,并以之為媒介引入多種物質中和磷酸,

      減弱水和酸對PBO纖維的降解作用。

              抗彈纖維的疊絲可能是性能衰減的一個因素。研究人員研究了折疊對抗彈PBO纖維性能衰減的作用,通過實驗確定了

      這種失效機制對裝甲防護性能的影響。他們還進一步研究了折疊對抗彈纖維內部結構的影響。日本研究人員對PBO纖維做了

      大量研究,例如,他們研究通過熱處理來提高高模PBO纖維的拉伸和疲勞強度,研究剪切速率對高模PBO纖維拉伸強度的影

      響等。


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