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【科研进展】国外玻璃纤维等抗弹材料的研究进

时间:2021-05-30 04:32 点击次数:

  目下,全国各首都正在继续研发和优化百般新型抗弹资料,以巩固车辆和单兵的弹道防护功能。高功能纤维复合资料拥有轻质、高强、抗弹功能优异等特色,是推敲最多、墟市繁荣最疾和最有前程的抗弹资料。以美国为代表的军事繁盛国度格表闭切高功能抗弹纤维及其复合资料的繁荣,美国陆军推敲试验室等国防科研机构和受国防部资帮的大学近些年展开了多量推敲事情。本文闭键先容玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维、PBO和M5纤维及其复合资料正在表洋的研发、使用近况与功能水准。

  玻璃纤维(GF)的拉伸强度高、断裂伸长率大、膺惩功能好、抗疲惫、化学安静,亏空之处是密度较大。GF复合资料是第一代较便宜的抗弹装甲资料。美国步卒战车、俄罗斯主战坦克和印度主战坦克的装甲都采用了GF夹层。美国舟师两栖攻击舰和俄罗斯航母的干弦也采用了GF复合资料抗弹防护机闭。E-玻纤(E-GF)和S-2玻纤(S-2GF)是常被推敲和使用的两种型号。S-2GF比E-GF有更高的强度和延迟率。

  推敲职员等推敲了S-2GF巩固酚醛树脂/氧化铝陶瓷装甲的抗穿甲弹功能,展现此复合装甲有极佳的陶瓷/复合资料面密度比,对穿甲弹有很高的抗弹功能。推敲了新一代舰船用GF聚会物基复合资料的抗爆炸膺惩功能,其造得的夹芯复合板由E-GF、Dow510A-40溴化乙烯酯造成的面皮和Tycor、聚氯乙烯泡沫、轻木(Balsa)造成的核芯层组成。

  美国密歇根州立大学对GF巩固的聚会物基复合资料举行了广大推敲,并向陆军推敲试验室提交了陈说。其造备了基于S-2GF/SC-15环氧树脂的复合资料;推敲了由正交平织GF毡布和环氧树脂基体组成的复合资料的尺寸效应对高压载荷下作为的影响;斥地了基于GF的高抗冲三轴准三维机织复合资料,并对其举行膺惩测试说明,三轴准三维复合资料的刚度比二维机织和层压样品区别跨过12.5%和20%;通过树脂传达模塑工艺造备了车辆防护板用玻璃纤维毡巩固的SC-15环氧树脂复合板,均匀拉伸模量和拉伸强度区别为20.06GPa和383.65MPa,均匀压缩模量和压缩强度区别为31.83GPa和258.60MPa,均匀剪切模量和剪切强度区别为5.62GPa和97.43MPa,均匀弯曲模量和弯曲强度区别为16.23和334.61MPa;终末他们还操纵S-2GF毡布造得预造件,采用真空辅帮树脂传达模塑工艺对预造件浸渍SC-15环氧树脂,临蓐出车用复合保障杠支架。

  美国陆军工程研发中央还推敲了负载碳纳米管的E-GF复合资料的能量耗散和高应变速度动态呼应。他们正在E-GF毡上成长碳纳米管,然后将负载碳纳米管的E-GF毡与树脂贯串,造成复合资料。对资料举行力学功能和弹道功能测试说明,负载碳纳米管的复合资料正在高应变速度下比招揽能提升106%,准静态应变速度下5个轮回周期后能量密度耗散晋升64.3%,V50值提升11.1%。

  芳纶纤维拥有高比强度、高断裂伸长率的特色,正在雷同面密度情形下,芳纶/树脂复合资料的抗弹才华是GF/树脂复合资料的2~3倍,正在良多周围可扫数取代GF/树脂复合资料。

  美国克莱姆森大学团结陆军推敲试验室等机构采用守旧有限元法抗拒弹纤维毡举行数值理解,用以确定资料的穿透阻力和对膺惩的全部挠曲、变形、败坏呼应。该团队的推敲职员等还进一步对平织纤维巩固的聚会物基复合资料的弹道膺惩/爆炸防护打算理解模子举行了优化升级。2014年,又推敲了PPTA(聚对苯二甲酰对苯二胺)基资料微机闭/功能的联系,斥地超群长度标准打算形式,来确定差别标准上百般微机闭特色对PPTA基毡布或PPTA纤维巩固的聚会物基复合资料的宏观弹道抗侵彻功能的影响。

  意大利卡西诺和南拉齐奥大学等将平纹织毡与热固性树脂复合造成层压资料,并对造备的复合装甲举行了Walker数值模子预测和弹道功能测试。美国陆军推敲试验室等以扁平条带状透后尼龙单丝为巩固体,以与之折射率相般配的透后环氧树脂为基体例备出一种透光率约为40%的复合资料,并对资料举行弹道试验,所得资料V50值大于305m/s,远高于环氧树脂和聚碳酸酯。

  美国桑迪亚国度试验室推敲了加捻(twist)抗拒弹纤维纱横向膺惩功能的影响,并操纵高速摄像机丈量了由膺惩激励的欧拉横波速率。结果说明,欧拉横波速率随纤维纱加捻数宗旨提升而提升,意味着更高的弹道功能。所以,正在抗弹纤维毡中应用加捻的纤维纱能晋升资料的弹道功能。推敲了磁场对芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维弹道功能的影响。推敲者区别将芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维夹正在两组相反的稀土磁体之间,测试磁场斥力对资料弹道功能的效用。结果说明,磁场斥力能强迫枪弹进入芳纶纤维的前面板。

  对芳纶纤维举行纳米改性或对其复合资料纳米填充也会刷新抗弹功能。推敲职员通过正在纤维轮廓成长笔直的ZnO纳米线来巩固界面强度。纤维的界面强度比裸纤维提升了96.9%,拔出测试的峰值载荷晋升达6.5倍。ZnO纳米线加强了纤维的拔出功能,进而也提升资料的弹道膺惩保卫水准。

  推敲职员等推敲了纳米颗粒填充剂抗拒膺惩复合资料的影响,对研磨碳纤维和纳米颗粒(碳纳米管和核壳橡胶颗粒)同时填充的纤维复合资料举行了V50弹道测试。结果显示,纳米核壳橡胶颗粒填料因为空穴效用对膺惩进程中的能量招揽有用,同时也使弹道功能明显提升。碳纳米管填料能提升基体-纤维的界面功能,也使得弹道功能有明显提升。二者对复合资料的V50抗弹功能有巩固效用。复合资料增加质地分数1%的研磨碳纤维并增加1%的纳米颗粒,能将V50有关于参照样品区别提升7.3%(碳纳米管)和8%(核壳橡胶颗粒)。

  超高分子量聚乙烯纤维密度幼、抗吸湿功能好、断裂伸长率较高,是目前一经贸易化的比强度最好的纤维之一。荷兰帝斯曼迪尼玛公司临蓐的一种超高分子量聚乙烯复合资料,是将来作战体系实行轻质、防护功能的闭键商用资料之一。该公司推出的由聚乙烯纤维巩固的硬质轻型防弹复合资料,其强度比芳纶强40%。美国公司应用超高分子量聚乙烯纤维斥地并演示了一种车辆防爆体系。

  表洋对纤维及复合资料举行了多量推敲。推敲职员等采用直接攥紧法测试了单纤维正在多重负载速度下的拉伸性子,处理了因为纤维直径太幼和轮廓能太低而难以用守旧的黏着法举行确凿丈量的题目。推敲职员推敲了差别纤维正交层压复合层板正在弹道膺惩下的显微断面,推导出膺惩进程中层离、层开裂和纤维扭折等失效形式的产生依序,获得闭键的能量招揽断裂进程,并确定这些进程何如受造备条款和目的呼应的影响。

  推敲职员推敲了差别面密度的HB26层压板的毁伤力学和界面效用,以评判资料的极限速率和失效机理。对区别采用超高分子量聚乙烯纤维和分子取向条带巩固的HB50和BT10m两种复合层压板的毗连侵彻变形和断裂机造举行了推敲,研究了HB50纤维和BT10m条带巩固的区别。推敲职员应用纤维筑筑了拥有差别偏度和构型的微编织物,通过一系列膺惩测试评估了差别微编织物巩固的聚会物基复合资料的弹道功能。结果显示,微编织物巩固的聚会物复合资料的弹道极限比由单向纤维筑筑的正交层压复合资料提升了近20%。

  推敲职员对照了差别机闭的均质、杂化热塑性复合资料正在差别温度下的破片弹道功能。这些复合资料系统的组成区别为多层芳纶毡布(Twaron,RUSLAN-SVM)/低密度聚乙烯基体复合层压板。基于多层超高分子量聚乙烯系统、以及杂化的芳纶层压板。结果说明,温度对芳纶毡布/低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯复合资料的V50值影响较幼,但正在低温下试验数据的发散性提升。正在高速膺惩下,基于超高分子量聚乙烯纤维的层压板的V50值和招揽能优于其他资料。但当射弹速率赶上弹道极限时,其能量招揽才华快速低浸。

  别的,推敲职员还推敲了纱线抓持(yarngripping)对超高分子量聚乙烯织毡弹道功能的影响,阐明晰通过创筑新型织毡机闭可有用巩固纱间摩擦的可行性。推敲职员推敲了差别厚度的超高分子量聚乙烯复合板针对两种口径破片模仿弹的弹道功能。推敲说明,跟着靶板厚度的增大,样品大白两段侵彻进程:第一阶段是初始的剪切冲塞,侵彻产生正在纤维剪切中,靶板不产生挠曲;第二阶段是隆起,亚层分离靶板并正在纤维拉伸中经受了大的挠曲和侵彻。推敲职员对侵彻的两个阶段举行了细致推敲,并斥地出一个理解模子对之描画。

  碳纤维的杨氏模量平常是守旧玻璃纤维的三倍多,是纤维的两倍摆布,正在军事装置的轻量化和提升糊口性方面有首要使用潜力。2015年,美国乔治亚理工学院斥地出一项基于聚丙烯腈(PAN)纺丝技能的凝胶纺丝毗连碳纤维造备新工艺,造得的PAN基碳纤维的均匀拉伸强度正在5.5~5.8GPa之间,拉伸模量正在354~375GPa之间,拉伸模量比广大用于航空航天的IM7型PAN基碳纤维跨过25%~36%,其具备的强度和模量组合是PAN基毗连碳纤维的最高值组合。将来通过优化资料和工艺,PAN基碳纤维的强度和模量将会获得更大的同步提升。

  推敲职员推敲了碳纤维复合资料正在受到弹道膺惩时机闭的盈余强度,应用差别口径的射弹正在低速和高速膺惩下对资料举行弹道测试,观测了试样的毁伤水准,然后造备膺惩后的拉伸、压缩和剪切试样,并举行力学测试。结果显示,正在清楚高于弹道极限的膺惩速率下,拥有弹道膺惩毁伤的试样残剩强度明显低于原始样品,但并不明显低于拥有与射弹雷同口径的死板加工孔的试样。推敲碳纤维聚会物复合资料的弹道毁伤对飞机安排和毁伤修复绝顶首要。

  推敲职员竭力于针织碳纤维(T300)复合资料的推敲,宗旨是通过斥地针织技能淘汰资料面内功能的衰减,这些面内功能都与沿厚度目标的巩固技能相闭,蕴涵Z向巩固技能、缝缀和簇绒技能等。推敲职员斥地出特其余内部针织加工工艺,可能使z向纤维以差其余角度(45/90)嵌入到复合层压板内部,并有用淘汰拉伸强度的亏损,明显晋升压缩强度。

  推敲职员推敲了热塑性聚氨酯夹层膜片增韧的碳纤-玻纤/环氧树脂杂化复合资料的多膺惩耐久性,欧宝电竞,的确实质蕴涵热塑性聚氨酯(TPU)夹层增韧的无褶皱IM7碳纤-S2玻纤杂化复合层压板的造备工艺及其对膺惩功能的影响。结果显示,通过真空辅帮树脂传达模塑和固化/后固化工艺可能得胜造备TPU增韧的杂化资料,且进程简直没有或很少有扭曲和缺陷。样品正在膺惩测试中浮现出优良的功能,但仍需斥地模子以充满推敲TPU夹层的巩固机造。

  为推敲三维编织机闭对资料力学功能的影响,推敲职员对造备的碳纤-玻纤三维杂化织物复合资料及其SC-15环氧树脂基体举行了力学测试。推敲展现,编织构型对两种复合资料正在拉伸负载下的失效至闭首要;碳纤/玻纤杂化复合资料正在两个目标上浮现较不屈均,正在经纱目标的强度和模量比纬纱目标高很多,且正在经、维目标上的失效类型差别。

  推敲职员通过把环氧-乙烯基酯真空浸渍到杂化三维正交机织预成型体中,筑筑出平板复合资料。预成型体上面四层为玻璃纤维,下面两层为碳纤维、玻纤与碳纤层之间是正在填充目标上取向的杂化层。推敲展现,假如试样的碳纤维面受到膺惩,杂化三维复合资料的能量耗散将获得晋升。

  PBO(聚对-亚苯基苯并双噁唑)纤维最初由美国空军研发,自后的产物由日本公司筑筑,PBO纤维被称为是可取代芳纶纤维的将来超高功能纤维,这种纤维密度比芳纶低,而力学功能和耐情况功能远优于其他芳纶纤维。

  2006年,美国加利福尼亚大学与美国陆军订立合同,举行弹道试验以确定Zylon纤维的抗弹功能。结果说明,Zylon纤维比Kevlar29功能更好,用于装甲,会有用巩固防护功能和机动性。即使PBO纤维拥有轻质高强高模等便宜,但正在防护使用中受限于应用进程的力学功能退化。为处理此题目,推敲职员斥地了一种超临界CO2化学试剂扩散后措置工艺来措置PBO纤维,以消浸其力学功能衰弱速率,伸长应用寿命。美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的推敲职员对超临界CO2后措置安静化PBO纤维举行了推敲,以超临界CO2举动提取剂萃取PBO纤维上剩余的磷酸和水分,并以之为前言引入多种物质中和磷酸,削弱水和酸对PBO纤维的降解效用。

  抗弹纤维的叠丝恐怕是功能衰减的一个身分。推敲职员推敲了折叠抗拒弹PBO纤维功能衰减的效用,通过试验确定了这种失效机造对装甲防护功能的影响。他们还进一步推敲了折叠抗拒弹纤维内部机闭的影响。日本推敲职员对PBO纤维做了多量推敲,比方,他们推敲通过热措置来提升高模PBO纤维的拉伸和疲惫强度,推敲剪切速度对高模PBO纤维拉伸强度的影响等。

  M5(聚2,5-二羟基-1,4苯撑吡啶并二咪唑)纤维是由l公司斥地,其机闭与PBO近似,但分子中含有羟基,故大分子链间可能造成氢键,压缩功能比PBO要好。

  美国特拉华大学曾与陆军推敲试验室一道对M5纤维举行了系列根源推敲。起初,对M5纤维内分子间氢键的造成举行了红表光谱理解和动力学推敲,结果说明热措置鞭策了纤维内聚会物链间的氢键的天生,打算得出分子链间的氢键造成活化能为14.8kJ/mol;又比较推敲了三种高功能纤维的界面作为,结果显示,M5浮现出比其他纤维更高的界面剪切强度;还推敲了氢键和水分轮回对M5纤维压缩功能的影响,展现氢键的增加将导致纤维压缩强度升高,水分轮回试验揭示了资料中个人氢键的可逆性。

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