0 引言
随着科学技术的发展,对传统的防护材料提出了新的要求,希望防护材料能朝着轻量化、舒适化和高强度的方向发展。基于高性能纤维增强材料的复合材料具有高比强度和比刚度,可以制备出相对轻薄且灵活的防护装备,并具有良好的抗冲击性能[1]。常用的高性能纤维材料有传统对位芳纶纤维、芳纶Ⅲ纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维等,这些高性能纤维的发展进一步促进了纤维复合材料在防护领域的应用[2]。高性能纤维通常以机织物、无纬布、机织物和无纬布叠层的形式用于不同的防弹产品中。在机织物中,由于纤维之间存在交叉,导致应力波在纤维中的传播速度降低,影响机织物的防破片性能;而无纬布一般是由纤维以0°/90°正交复合层压而成,纤维之间则不存在交叉,应力波在无纬布中的传播速度比在机织物中快,使得无纬布中有更多的纤维参与能量的吸收,有利于提高防破片性能[3]。
研究表明,叠层不同的纤维材料可以有效地提高防护性能,同时减轻个人防护产品重量。然而,当不同的纤维材料组合在一起时,并不总能表现出良好的混杂正效应(1+1>2),混杂效应受叠层纤维材料特性和顺序的影响明显[4]。
许多作者研究了常用纤维复合材料的抗冲击性能,阐述了冲击过程中的能量吸收机制。Loganathan等[5]认为,在弹道冲击作用下,复合材料主要的损伤模式是纤维的断裂及树脂的脱落、分层和剪切变形,其能量吸收主要依靠局部变形和剪切堵塞来实现。Cheeseman等[6]认为,在弹道冲击过程中,子弹在冲击面的破坏以剪切破坏为主,在非冲击面则以拉伸破坏为主。Karthikeyan等[7]发现,层合板非冲击面消耗的能量大约是冲击面的6.5 倍,这表明纤维的拉伸破坏比剪切破坏耗散更多的能量。Cunniff等[8]研究表明,当复合材料以UHMWPE无纬布为冲击面时,其弹道极限(V50)值比以对位芳纶机织物为冲击面减少了80%左右,其主要原因是由于不同材料的横向挠度相互干扰所致;当2 种纤维材料叠层在一起时,冲击面为高模量材料,非冲击面为低模量材料,会产生横向挠度干扰。Chen等[9]将不同质量比的UHMWPE纤维无纬布和机织物制备复合叠层靶片,发现机织物在受到弹道冲击时表现出较好的抗剪性能,而无纬布则表现出较好的抗拉性能和较宽的横断面偏向;以机织物为冲击面而无纬布为非冲击面的靶片具有更好的防弹性能;实验还发现,机织物与无纬布的比例为1∶3时复合材料表现出最佳的防弹性能。
孙颖等[10]将超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维进行叠层,制备了多种混杂结构的复合材料层板,通过对其进行低速冲击研究,发现混杂结构对复合材料层板的抗冲击性能有一定影响。翁浦莹等[11]将对位芳纶平纹织物和UHMWPE纤维无纬布以不同层数比交替叠层的形式制备靶片,发现2层对位芳纶平纹织物与2层UHMWPE纤维无纬布交替叠层时,能量沿经向与经纬向不断交替传递,复合材料吸收的冲击能量值最大。
如前所述,以往工作者已经进行了关于材料组合和堆叠顺序对叠层靶片抗侵彻性能影响的研究,但研究对象多为对位芳纶纤维和UHMWPE叠层靶片,对于近年新兴的芳纶Ⅲ高性能纤维少有研究。本文中深入研究了芳纶Ⅲ和UHMWPE纤维无纬布预浸料的组合,改变2 种无纬布预浸料的叠层组合方式,根据《GA/T 950—2019防弹材料及产品V50试验方法》标准[12],选用1.1 g破片弹对叠层靶片进行弹道侵彻试验,验证和分析了叠层方式对高性能纤维无纬布抗破片冲击性能的影响。
1 复合材料设计及破片试验条件
1.1 材料准备
试验选用了2 种国产无纬布预浸料(以下简称无纬布),分别是芳纶Ⅲ纤维无纬布(AⅢ)和UHMWPE纤维无纬布(U),其材料基本参数如表1所示。单层无纬布是纤维单向平行排列并用热塑性树脂粘结,再经0°/90°正交复合层压而成。
表1 2种无纬布预浸料的基本参数
Table 1 Basic parameters of two kinds of nonwoven fabrics
材料命名单层面密度/(kg·m-2)单层厚度/mm生产厂家断裂强度[13]/GPa杨氏模量[13]/GPa芳纶Ⅲ纤维无纬布AⅢ0.25±0.010.3中蓝晨光化工4.21128.28UHMWPE纤维无纬布U0.15±0.010.2北京普诺泰新材料科技3.71137.84
1.2 复合材料靶片结构设计与制备
通过改变无纬布的组合方式进行叠层排列,设计了2组复合材料靶片,分别代表2 种类型(A组和B组靶片,如表2所示)。改变复合材料靶片中芳纶Ⅲ纤维无纬布(AⅢ)与UHMWPE纤维无纬布(U)的质量比,分别为 2∶1、1∶1、1∶2,并交换2 种材料的前后位置,制备 A、B两组靶片。A组靶片:将芳纶Ⅲ纤维无纬布作为迎弹面;B组靶片:将UHMWPE纤维无纬布作为迎弹面。
表2 A、B组靶片的叠层方式及关键参数
Table 2 Laminating method and key parameters of group A and B target pieces
编号迎弹面层数AⅢ∶U质量比组合模型靶片面密度/(kg·m-2)V50/(m·s-1)SEA/(J·m2·kg-1)AⅢ24A2∶1A1∶1A1∶2AⅢ241∶05.6458933.8313AⅢ/11U2.01∶15.1961640.219AⅢ/16U0.97∶14.8961943.096AⅢ/21U1∶2.014.7762044.32U24B2∶1B1∶1B1∶2U240∶13.6852841.6711U/13AⅢ2.05∶15.1659637.8616U/9AⅢ1.04∶14.9158938.8621U/6AⅢ1∶2.044.7960041.33 芳纶Ⅲ纤维无纬布(AⅢ) UHMWPE纤维无纬布(U)
1.3 弹道测试方法
试验用标准的柱状楔形模拟破片为发射弹体,弹体长为6.35 mm,直径为5.38 mm,质量为1.1 g,材料为45号钢,破片的形状如图1所示。弹道试验系统参照《GA/T 950—2019防弹材料及产品V50试验方法》标准。弹道试验系统一般由试验枪械、测速靶(包括起始靶和终止靶)、计时器、背衬材料、靶架和弹托拦截器组成,破片通过试验用弹道枪发射,通过测速靶来测定破片的初始速度,整个弹道试验系统如图2所示。在射击试验中,应根据前1发(或多发)的射击速度及结果调整装药量,以满足弹道极限V50评定的要求;本文中采用6发评定,即取3 发最高阻断速度和相同数量的最低穿透速度的平均值,作为平均速度
规定6次试验混合速度差不超过38 m/s,由
按照式(1)计算得到靶片的V50值[12]。V50值越大,防破片性能越好。
(1)
图1 柱状楔形模拟破片结构
Fig.1 Columnar wedge simulation of fragmentation structure
图2 弹道试验装置
Fig.2 Ballistic test setup
式(1)中:V50为破片对靶片形成穿透概率为50%的着靶速度
为测点的算术平均值(m/s),α为弹体飞行衰减系数(m-1);x为测点到着靶点飞行距离(m)。
根据修正后靶片的V50值,代入式(2),可得到弹道性能指标SEA(比吸能值),表示无纬布单位面密度吸收的能量[14]。
(2)
式(2)中:m为子弹的质量(kg);V50为子弹的V50值(m/s);SEA为单位面积吸收能量(J·m2/kg);D为无纬布复合材料层板的面密度(kg/m2)。
2 弹道侵彻试验现象与分析
2.1 靶片抗破片冲击性能分析
复合材料的靶片在受到破片冲击后,破片动能的一部分转变成复合材料的树脂和纤维的烧蚀,另一部分转变成复合材料在冲击过程中,纤维拉伸、断裂、纤维从树脂中拔出、树脂破碎以及复合材料分层的能量[15]。在弹道侵彻过程中靶片吸收的总能量大于破片的在冲击过程中消耗的能量,表明破片未穿透靶片,否则靶片未起到有效的防护。A组靶片(以芳纶Ⅲ纤维无纬布为迎弹面)和B组靶片(以UHMWPE纤维无纬布为迎弹面)的弹道极限速度V50值,如图3所示,根据式(2)计算其弹道性能指标SEA如图4所示。
图3 质量比对A组和B组靶片V50值的影响
Fig.3 Effect of mass ratio on V50 values of group A and group B target piece
图4 质量比对A组和B组靶片SEA的影响
Fig.4 Effect of mass ratio on SEA of Group A and B target piece
从图3中可以看出,在芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布质量比相同的条件下,A组靶片的V50值明显优于B组靶片,即靶片的迎弹面为芳纶Ⅲ纤维无纬布时其抗破片性能更佳;其中,靶片A1∶2的V50值最大,为620 m/s,而靶片B1∶1的V50值最小,为589 m/s。当靶片的迎弹面为同种材料时,随着靶片中UHMWPE纤维无纬布所占质量比增加,其V50值也随之提高;24层芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的V50值分别为589 m/s和528 m/s,与相同层数的A2∶1和B2∶1组靶片相比,2种无纬布叠层的抗破片冲击性能比单一无纬布的抗破片冲击性能有所提高。
从图4中可以看出,靶片A1∶2的SEA最大为44.32 J·m2/kg,靶片B2∶1的SEA最小为37.86 J·m2/kg,SEA值从大到小排序为A1∶2>A1∶1>B1∶2>A2∶1>B1∶1>B2∶1;芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布质量比相同的条件下,迎弹面为芳纶Ⅲ纤维无纬布的A组靶片的SEA高于迎弹面为UHMWPE纤维无纬布的B组靶片的SEA;具有相同迎弹面的3 组靶片,UHMWPE纤维无纬布的质量所占比例越大,靶片的SEA越高,说明UHMWPE纤维无纬布能够更有效地吸收破片的冲击能量;当芳纶Ⅲ纤维无纬布与UHMWPE纤维无纬布质量比为1∶1时,A1∶1组靶片单位面密度吸收能量比B1∶1组靶片高18.6%,优于A1∶2、B1∶2组靶片的7.2%和A2∶1、B2∶1组靶片的6.2%。24层芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的SEA分别为33.83 J·m2/kg和41.67J·m2/kg,与相同层数的A2∶1和B2∶1组靶片相比,2 种无纬布叠层改善了芳纶Ⅲ纤维无纬布的能量吸收能力,但导致UHMWPE纤维无纬布的能量吸收能力降低。
在弹道侵彻过程中,破片对复合材料的破坏先以剪切破坏为主,随后为剪切破坏和拉伸破坏共同作用,最后以拉伸破坏为主[16]。根据复合材料受破片侵彻时迎弹面和背弹面的破坏机制不同,分别放置相应力学性能的无纬布,使其破坏模式和动能吸收机制相匹配,才能最大限度的改善复合材料的抗破片性能[17]。芳纶Ⅲ纤维无纬布在破片冲击过程中抗剪切性能优于UHMWPE纤维无纬布,而UHMWPE纤维无纬布在破片冲击过程中抗拉伸性能优于芳纶Ⅲ纤维无纬布,将抗剪切性能好的芳纶Ⅲ纤维无纬布放置在迎弹面,抗拉伸性能好的UHMWPE纤维无纬布放置在背弹面,可以有效的降低破片前进速度,提高复合材料的防破片性能,为穿着者提供更好的防护。
在弹道冲击过程中,复合材料非冲击面消耗的能量大约是冲击面的 6.5 倍,这表明纤维的拉伸破坏比剪切破坏耗散更多的能量[7],而UHMWPE纤维无纬布在破片冲击过程中抗拉伸性能较好,所以复合材料中UHMWPE纤维无纬布在一定范围内所占质量比增加,其防破片性能也随之提高。
2.2 靶片变形失效模型分析
为了分析A组(芳纶Ⅲ纤维无纬布/UHMWPE纤维无纬布)和B组(UHMWPE纤维无纬布/芳纶Ⅲ纤维无纬布)靶片在弹道侵彻下的失效模型,选取试验中A1∶2和B1∶2两组靶片,分析其破坏形貌,图5是A1∶2组靶片的破坏形貌。
图5 A1∶2组靶片破坏形貌
Fig.5 Damage morphology of group A1∶2target piece
A1∶2组靶片的迎弹面弹孔处的损伤直径约为6 mm左右,略大于破片弹的直径5.38 mm,从靶片迎弹面观察弹孔形态,均呈现椭圆形,弹孔边缘纤维破坏平整;靶片背弹面凸起较大,大约在5 mm左右,表明部分UHMWPE纤维受拉伸作用而产生抽拔、脱粘现象。在破片射入靶片时,首先对迎弹面处的无纬布产生剪切作用,使得芳纶Ⅲ纤维发生剪切破坏并反向喷出;随着破片的侵入,破片对无纬布的破坏由剪切逐步转为拉伸,芳纶Ⅲ纤维和UHMWPE纤维受到剪切破坏和拉伸破坏的共同作用,产生纤维丝;在侵彻结束阶段,破片对无纬布的破坏以拉伸破坏为主,背弹面产生凸起,形貌不完整,并且出现纤维与树脂脱粘,背弹面变形范围的增大,可以说明后层的应力波能够传递范围更广,使得更多的纤维参与阻拦破片。
图6是B1∶2组靶片的破坏形貌,B1∶2组靶片的迎弹面弹孔处的损伤直径约为6 mm左右,略大于破片弹的直径 5.38 mm,从靶片迎弹面观察弹孔形态,均呈现四边形,弹孔边缘纤维破坏平整;靶片背弹面未产生明显的凸起。
图6 B1∶2组靶片破坏形貌
Fig.6 Damage morphology of group B1∶2target piece
在弹道侵彻初始阶段时,破片对迎弹面处的无纬布产生剪切作用,UHMWPE纤维发生剪切破坏,弹孔之外材料平整,应力主要集中于弹孔附近,纤维直接被剪切断裂;随着破片的侵入,破片对无纬布的破坏由剪切逐步转为拉伸。UHMWPE纤维和芳纶Ⅲ纤维受到剪切破坏和拉伸破坏的共同作用,在2 种纤维的叠层处,发现UHMWPE纤维无纬布产生明显的凸起;在侵彻结束阶段,破片对无纬布的破坏以拉伸破坏为主,剩余无纬布受压变形,但B1∶2组靶片背弹面并未观察到有明显的凸起,且背弹面形貌较为规整,整体皱缩与形变也相对较少。说明以芳纶Ⅲ纤维无纬布作为背弹面可以有效的减少弹道侵彻过程中产生的背凸现象,减轻对穿着者产生的钝击伤害。
3 无纬布组合形式对防护性能的影响
对比A、B两组靶片的V50值和SEA可以发现,以芳纶Ⅲ纤维无纬布作为迎弹面的靶片有着更好的防破片性能,为此,我们设计以芳纶Ⅲ纤维无纬布作为迎弹面,改变芳纶Ⅲ纤维无纬布(AⅢ)和UHMWPE纤维无纬布(U)组合形式的C组靶片;在面密度保持相似的前提下,将芳纶Ⅲ纤维无纬布与UHMWPE纤维无纬布以层数1∶1、2∶2、3∶3、4∶4的复合形式交替叠层制备C组靶片,如表3所示。
表3 C组靶片的叠层方式及关键参数
Table 3 Laminating method and key parameters of group C target piece
编号无纬布叠层方式组合模型靶片面密度/(kg·m-2)V50/(m·s-1)SEA/(J·m2·kg-1)C112(1AⅢ∶1U)4.5856738.61C26(2AⅢ∶2U)4.6159942.81C34(3AⅢ∶3U)4.5257039.53C43(4AⅢ∶4U)4.5955336.64 芳纶Ⅲ纤维无纬布(AⅢ) UHMWPE纤维无纬布(U)
3.1 靶片抗破片冲击性能分析
C组靶片的弹道极限速度V50值如图7所示,根据式(2)计算其SEA如图8所示。
图7 C组靶片的V50值
Fig.7 V50 values of group C target piece
图8 C组靶片的SEA
Fig.8 SEA of group C target piece
由图7可见,C2靶片V50值最大,达到599 m/s。说明2层芳纶Ⅲ纤维无纬布与2层UHMWPE纤维无纬布交替铺层的组合形式可以提高靶片的抗侵彻能力。同样,C2组靶片的SEA最高,为42.8 J·m2/kg,如图8所示。这表明C2组靶片抗破片冲击时表现出良好的混杂正效应,这可能是由于当芳纶Ⅲ纤维无纬布为迎弹面时,有利于应力波在靶片平面范围内的快速传播扩散,当UHMWPE纤维无纬布放置在中间层,可以吸收更大范围的冲击能量[18],随着迎弹面所用芳纶Ⅲ纤维无纬布的增多,其抗剪切性能有所提高,但可能会影响到中间层UHMWPE纤维无纬布的能量吸收,当靶片为2层芳纶Ⅲ纤维无纬布与2层UHMWPE纤维无纬布交替叠层,表现出较好的防破片效果。
3.2 靶片变形失效模型分析
对C1、C2、C3和C4靶片的迎弹面和背弹面进行分析,可以更好的分析C组靶片在弹道侵彻下的失效模型,图9是C组靶片的破坏形貌。
图9 C组靶片的破坏形貌
Fig.9 Damage morphology of group C target piece
4组靶片的迎弹面弹孔处的损伤直径均为6 mm左右,约等同于弹片的直径5.38 mm。另外,多数弹孔形态基本呈现椭圆形,但有些弹孔接近于四边形,断口整齐。
在无纬布背面形成类似于马尾的绺状,弹孔周围的纤维较为平整,无纬布直接被剪切断裂。随着破片的侵入,弹孔周围纤维有明显的抽拔痕迹,表面纤维树脂脱粘,出现褶皱,而另一面整齐断裂,这是由无纬布0°/90°铺层方式导致,纤维力学性能远强于树脂,纤维取向方向受力,而树脂仅发挥粘合纤维的作用,在这一阶段,纤维的损伤模式逐渐转变为剪切断裂与拉伸断裂的共同作用。在侵彻结束阶段,可以观察到C2组靶片背弹面弹孔处UHMWPE纤维拉伸破坏严重,形貌不规整,并产生明显的凸起。对比4 组靶片背弹面凸起区域,发现C2组靶片凸起区域明显大于其他3 组靶片的凸起区域,皱缩变形更为严重,说明C2组靶片中有更多纤维参与了吸收破片的冲击能量,其中C4组靶片背弹面凸起区域最小,说明C4组靶片吸收破片冲击能量最少。C2组靶片背弹面处凸起位置的纤维拉伸破坏严重,同时还有部分纤维脱粘,其余位置的纤维也受到了一定的拉伸破坏,沿横向传递的应力波逐渐增强。
4 结论
将芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布以不同组合方式进行叠层设计,并开展了复合材料靶片弹道冲击试验,得到以下结论:
1) 当芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的质量比相同时,由于芳纶Ⅲ纤维无纬布在破片冲击过程中表现出较好的抗剪切性能,而UHMWPE纤维无纬布则在破片冲击过程中表现出较好的抗拉伸性能,以芳纶Ⅲ纤维无纬布为迎弹面靶片的V50值和SEA均优于以UHMWPE纤维无纬布为迎弹面的靶片。
2) 当迎弹面为相同的无纬布时,由于在弹道侵彻过程中,纤维的拉伸破坏比剪切破坏耗散更多的能量,而UHMWPE纤维无纬布在破片冲击过程中抗拉伸性能较好,所以复合材料靶片中UHMWPE纤维无纬布所占质量比增加,其防破片性能也随之提高;当芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的质量比1∶2且迎弹面为芳纶Ⅲ纤维无纬布时,复合材料靶片的抗破片冲击性能最好。
3) 在面密度相同时,2层芳纶Ⅲ纤维无纬布、2层UHMWPE纤维无纬布交替叠合的复合材料表现出良好的混杂正效应,其V50值和SEA最高,分别为599 m/s和42.8 J·m2/kg。
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