連續玄武巖纖維復合材料抗彈性能研究
1 前言
隨著戰爭條件的不斷改變，滿足現代戰爭需要的新型裝甲防護材料廣泛應用于武器系統的防護領域?？箯椑w維復合材料具有優良的物理機械性能，其比強度和比模量高于金屬材料，抗聲震疲勞性、減震性能也大大超過金屬材料。此外該類材料還具有良好的動能吸收性,且無“二次殺傷效應”,因而具有良好的抗彈性能[1,2]。更重要的是在抗彈性能相當的情況下，復合材料的質量較金屬材料大大減輕，從而使武器系統具有良好的機動性，對于裝甲車輛的輕量化具有重要意義[3]。
連續玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石作為原料，將其破碎后加入熔窯中，熔融后通過鉑銠合金拉絲漏板制成的[4]。它與玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維等相比具有獨特的優點[5]：①原料來源廣泛，成本低；②突出的耐高溫性能；③耐酸堿腐蝕性能優異；④電磁波透過性好；⑤吸濕率比玻璃纖維低6~8倍。因而連續玄武巖纖維增強樹脂基復合材料以其獨特的性能在冶金、化工、建筑、航空航天、兵器等領域將具有較廣闊的應用前景[6]。本試驗對基體樹脂種類與含量、纖維織物結構以及纖維表面處理對玄武巖纖維復合材料抗彈性能的影響進行了研究。
2 試驗部分
2.1 主要原材料和設備
防彈靶板所用主要原材料見表1。
主要設備儀器有DSC-1纏繞機，哈爾濱玻璃鋼研究所生產；YX-100壓力成型機，上海偉力機械廠制造；QUANTA200型掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。 [-page-]
2.2 試驗方法
2.2.1 纖維表面處理及靶板制備
將KH550和沃蘭處理劑分別配成濃度為2%的水溶液，將玄武巖纖維分別放入兩種處理劑溶液中浸泡，至規定時間后取出放入真空烘箱，在80℃下真空加熱30min除去溶劑，再在110℃下反應90min。
纖維在纏繞機上完成預浸料制備。將預浸料放在模具里，升溫至140℃，在5MPa壓力下固化成型為玄武巖纖維復合材料靶板。
2.2.2 υ50測試和比吸能計算
υ50彈道極限速度是評估材料抗彈性能的一個重要指標[7]。所謂υ50值是指射出的彈體,50%通過靶板時全部彈速的算術平均值，一般取六發彈的速度,其中三發為彈體侵徹靶板未穿的高速度和三發穿透的低速度,六發彈速的大值與小值之差不大于50m?s-1。
其中，m為彈體質量；υs、υr分別為彈體入靶速度和出靶速度。
比吸能性是評估材料抗彈性能的一個重要指標，它是靶板吸收能量與靶板面密度之比，其數值大小代表著材料抗彈性能的好壞，比吸能計算公式：
其中Sea為靶板比吸能;m為入射彈丸質量；Ps為靶板面密度。
本試驗采用7.62mm 53式彈道槍，使用1.1g碎片模擬彈進行υ50和比吸能性的測試。試驗裝置如圖1所示。
3 結果與討論
3.1 基體種類與含量對復合材料抗彈性能的影響
不同基體材料的連續玄武巖纖維復合材料在不同基體含量下的抗彈性能試驗結果如圖2所示。
從圖2中可以看出，基體材料的種類和含量對連續玄武巖纖維復合材料的抗彈性能有很大影響。當采用熱固性的環氧乙烯基樹脂為基體時的抗彈性能優于以熱塑性的PE樹脂為基體時的抗彈性能，這與玻纖復合材料相似[8]，而與芳綸纖維、高強聚乙烯纖維復合材料有明顯差異[9,10]。這主要是由于基體不同時，彈丸對復合材料靶板的沖擊作用過程不同。對于以熱塑性樹脂為基體的復合材料，在受到彈丸的高速沖擊作用時，由于基體的柔順性較好，在受到彈丸的沖擊作用時，復合材料靶板會發生較大的形變。對于芳綸纖維、高強聚乙烯纖維復合材料，由于這種形變可以吸收彈丸的部分沖擊能量，因而是有利的。而對連續玄武巖纖維、玻纖纖維增強的樹脂基復合材料來說，由于纖維脆性較大，部分纖維會因靶板的變形而發生斷裂，從而導致復合材料抗彈性能下降。
而對于以熱固性樹脂為基體的復合材料，由于基體的剛性較大，因此受到彈丸沖擊時復合材料靶板形變較小，主要通過基體良好的彎曲和壓縮強度以及纖維的高拉伸強度來吸收能量，從而可以充分發揮纖維的高能量吸收能力，抗彈性能也較好。
從圖2中還可以發現，隨著基體樹脂含量的提高，復合材料的抗彈性能下降，而且下降的幅度逐漸增強。這主要是由于當纖維含量較低時，纖維之間的協同作用減弱，彈丸的沖擊容易使靶板發生開裂或分層，發生橫向移動，部分纖維隨基體一起移動卻不再承受任何應力，不能充分發揮全部纖維的高拉伸特性，因而抗彈性能降低。 [-page-]
3.2 織物結構類型對復合材料抗彈性能的影響
纖維的織物結構不同，其抗彈性能也不同。以環氧乙烯基樹脂為基體制備不同織物結構的連續玄武巖纖維復合材料并進行抗彈性能測試，結果如表2所示。
從表2中我們可以看到，無緯布和單向布結構的復合材料抗彈性能較好，而平紋布結構的復合材料抗彈性能較差。這主要是由于在無緯布和單向布織物結構的復合材料中，纖維之間的交錯點較少，受到彈丸沖擊作用時，能量可很快地沿纖維方向進行擴散，從而在較大的面積上得到吸收，提高了靶板的抗彈性能。而在平紋布結構的復合材料靶板中，纖維交錯排列，在交錯點處會反射彈丸作用的沖擊波，使得對沖擊能量的瞬時吸收面積減小，就降低了復合材料靶板的抗彈性能。
雖然無緯布和單向布結構的復合材料抗彈效果基本相似，但無緯布制作工藝復雜、成本高、質量穩定性較差，因此連續玄武巖纖維抗彈復合材料一般采用單向布結構。
3.3 纖維表面處理對復合材料抗彈性能的影響
纖維經過表面處理以后，可改善與基體材料的結合狀況，從而影響復合材料的抗彈性能。纖維經過不同處理劑和處理工藝以后所制備的復合材料抗彈性能如表3所示。
從試驗結果中可以看到，經過不同處理劑不同工藝對纖維進行表面處理后，抗彈性能均有所提高，其中以KH550進行處理以后效果更優，而處理時間對其抗彈性能影響不明顯。這主要是由于當復合材料靶板受到彈丸的沖擊作用時，纖維在斷裂以后會從基體材料中“拔脫”。表面處理使得纖維和基體之間產生更強的結合，纖維從基體中“拔脫”需要消耗更多的能量，從而提高了復合材料的抗彈性能。圖3為靶板斷口的SEM照片，可以看到未經處理時，斷口處“拔脫”的玄武巖纖維上基本無環氧乙烯基樹脂，而經過表面處理以后,斷口處“拔脫”的玄武巖纖維上仍被環氧乙烯基樹脂所包圍，說明纖維與基體之間的結合力增強，使纖維“拔脫”要做更多的功。
4 結語
對于連續玄武巖纖維增強的樹脂基復合材料，基體樹脂種類與含量、纖維織物結構以及纖維與基體的界面結合狀況均會影響復合材料的抗彈性能。采用熱固性樹脂為基體比采用熱塑性樹脂為基體的抗彈性能更優。以無緯布或單向布為織物結構時，可以提高彈丸沖擊能量的吸收面積，從而提高抗彈性能。纖維經過表面處理以后，改善了纖維與基體的界面，可使復合材料的抗彈性能得到進一步提高。
參考文獻
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