STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能研究

孫西超，李艷清，b，伍 仲，祝成炎，b*

（浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院，b.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國家工程技術(shù)研究中心，杭州310018））

STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能研究

孫西超a，李艷清a，b，伍 仲a，祝成炎a，b*

（浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院，b.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國家工程技術(shù)研究中心，杭州310018））

為了研究STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能和沖擊耗能模式，首先使用純Kevlar織物和STF的分散體系按照一定的工藝復(fù)合制備成STF-柔性復(fù)合材料，然后采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測試，并借助氣控高速發(fā)射裝置分別對(duì)不同SiO2固含量以及不同鋪層角度的STF-柔性復(fù)合材料進(jìn)行防彈性能測試，以單位面積吸收的能量來表征其防彈性能。結(jié)果表明：萬能材料試驗(yàn)機(jī)低速作用時(shí)，純Kevlar織物和STF-柔性復(fù)合材料斷裂強(qiáng)力基本一致，說明STF的黏度不會(huì)劇烈增加而影響人們的活動(dòng)；隨著SiO2固含量由0增加到45%，單位面積吸收能量由78.8 J·m2/kg增加到87.4 J·m2/kg，說明STF-柔性復(fù)合材料的防彈效果變佳；鋪層角度對(duì)防彈性能的影響由優(yōu)到劣的順序?yàn)?5°、90°、0°。

復(fù)合材料；剪切增稠液體；防彈性能；耗能模式

0 引 言

近年來，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)防彈材料的研究就一直沒有停止過，保護(hù)從事特殊工作人員的生命安全成為當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)主題［1-2］。防彈材料由金屬材料、非金屬材料發(fā)展到今天的復(fù)合材料。美國合成物質(zhì)研究中心和武器原料研究理事會(huì)在20世紀(jì)90年代合作研究STF，并將其應(yīng)用于個(gè)體防護(hù)裝甲［3］；Wetzel E D等［4］人將剪切增稠液體（STF）與芳綸織物織物復(fù)合，并且用實(shí)驗(yàn)證明了STF可以提高防彈衣的強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了質(zhì)量，織造出柔韌性較好的防護(hù)設(shè)備；徐素鵬等［5］研究了STF與超高分子量聚乙烯織物（機(jī)織物和無紡布）復(fù)合材料的防彈防刺性能，發(fā)現(xiàn)此復(fù)合材料能吸收大量的沖擊能量而放在最外層。相關(guān)研究表明［6-8］，STF處于平衡狀態(tài)時(shí)呈液態(tài)，當(dāng)受到高速突然沖擊時(shí)，STF體系的黏度瞬間增大，阻礙子彈的入侵，即將STF與Kevlar織物復(fù)合所形成的STF-柔性復(fù)合材料具有一定的研究價(jià)值。

本文利用JSM-5610LV掃描電鏡觀察SiO2的分布，從而確定了STF與芳綸織物的復(fù)合工藝［9-10］；對(duì)比分析了不同SiO2固含量對(duì)STF-柔性復(fù)合材料的拉伸性能的影響；采用氣控高速發(fā)射裝置測試并分析了不同SiO2固含量和不同鋪層角度的STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 防彈性能表征方法

在侵徹過程中，材料的防彈性能受到很多因素的影響，為了更好地分析材料的防彈效果和探索防彈材料的制備工藝，根據(jù)文獻(xiàn)［11-12］可知，材料防彈性能指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：E-吸收能量（J）；

m-子彈的質(zhì)量（kg）；

v1-子彈的剩余速度（m/s）；

v2-子彈的入射速度（m/s）；

Im-單位面積吸收能量（J·m2/kg）；

ρ-多層材料的面密度（kg/m2）；

ρD-單層材料的面密度（kg/m2）；

N-材料的層數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)測試條件相同的情況下，當(dāng)材料被穿透時(shí)，材料的Im的數(shù)值越大，表明材料的防彈性能越好；當(dāng)材料部分被穿透時(shí)，未被穿透的材料的防彈性能比被穿透的材料的防彈性能好。

1.2 STF-柔性復(fù)合材料的制備工藝

a）實(shí)驗(yàn)所用Kevlar織物裁剪成170 mm× 170 mm的正方形，其織物規(guī)格為經(jīng)緯密94×94（根/10 cm）、面密度207 g/m2，然后將之放置于LC-213型鼓風(fēng)干燥箱中2 h，其溫度設(shè)為50℃。

b）用粒徑為20 nm的SiO2和分子量為200的PEG制備STF，其中STF分散體系中SiO2的固含量分別為35%和45%。將上述處理后的Kevlar織物浸泡在STF和無水乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5的稀釋液中5 min，在浸漬的同時(shí)，在溫度設(shè)定為25℃的KQ-250DE型超聲波震蕩儀作用30 min，其功率為100 W，使得STF均勻的分散在織物中。

c）將帶有無水乙醇的STF-柔性復(fù)合材料放置于LC-213型鼓風(fēng)干燥箱中作用13 min，除去無水乙醇。

1.3 測試方法

采用Instron 3367萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，參照國標(biāo)GB/T 7689.5-2001測試STF-柔性復(fù)合材料的拉伸性能；利用氣控高速發(fā)射裝置測試STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能；借助JSM-5610LV掃描電鏡分析STF-柔性復(fù)合材料的破壞模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 STF-柔性復(fù)合材料的制備工藝分析

圖1為純Kevlar織物和STF與織物復(fù)合后試樣的SEM圖。從圖1中可以看出，Kevlar纖維表面上SiO2顆粒呈均勻分布，即STF能夠均勻地浸漬在織物中，表明STF-柔性復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)設(shè)置合理。

圖1 純Kevlar織物和STF-柔性復(fù)合材料的SEM圖

2.2 STF-柔性復(fù)合材料的拉伸性能分析

圖2為純Kevlar織物、STF-柔性復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向的拉伸曲線。從圖2中可知，純Kevlar織物和STF-柔性復(fù)合材料在拉伸斷裂前發(fā)生了一定的形變，但并沒有屈服點(diǎn)，而其在拉伸斷裂時(shí)所發(fā)生的形變主要是Kevlar纖維的彈性形變。主要是因?yàn)榧喚€在被拉伸時(shí)紗線中的纖維發(fā)生了斷裂和相互滑移，而紗線中的纖維由內(nèi)層到外層的伸長變形依次減小。隨著STF的濃度增大，層間粘結(jié)度逐漸提高，進(jìn)而改變了Kevlar纖維的脆性。載荷在一定范圍內(nèi)不斷增加，脆化的纖維開始大面積的斷裂，最終導(dǎo)致STF-柔性復(fù)合材料完全斷裂。隨著SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，純Kevlar織物和由SiO2配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的STF-柔性復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向的最大拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變基本不變。這一結(jié)果表明STF-柔性復(fù)合材料在50 mm/min的速度拉伸時(shí)，STF沒有剪切增效應(yīng)，即不能改善織物的拉伸斷裂強(qiáng)力和拉伸應(yīng)變等基本性能，人們自由活動(dòng)時(shí)，不會(huì)使得STF體系的黏度增加。

圖2 織物的經(jīng)向、緯向拉伸性能曲線

2.3 STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能分析

為了研究鋪層角度和SiO2固含量對(duì)STF-柔性復(fù)合材料防彈性能的影響，設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，每組為3個(gè)不同SiO2固含量的試樣，STF是由20nmSiO2和PEG200制備而成。

a）按照工藝將乙醇完全揮發(fā)的單層STF-柔性復(fù)合材料將其經(jīng)向和緯向有序鋪層，即相鄰兩層材料經(jīng)向與經(jīng)向或者緯向與緯向之間鋪層成一定的交叉角，設(shè)計(jì)的鋪層角度分別為0°、45°和90°，其示意圖如圖3所示。

圖3 鋪層角度示意

b）試樣層數(shù)為5層，設(shè)置XLB25-D平板硫化機(jī)壓力為1.25 MPa，工作時(shí)間30 min，溫度為105℃，使TPU（熱塑性氨綸彈性體）樹脂融化，其中TPU的型號(hào)為WINSMILE，規(guī)格為16 cm×1 cm，置于四周，連接各層。氣控高速發(fā)射裝置的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試樣的防高速?zèng)_擊性能

將表1中三組中對(duì)應(yīng)的鋪層角度0°、45°和90°的Im各自取平均值，分析鋪層角度對(duì)STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能的影響。

圖4中a、b和c分別代表5層鋪層角度為0°、45°和90°的防彈材料單位面積的吸收能量直方圖?？梢钥闯觯谌M試樣中，當(dāng)鋪層角度為45°時(shí)，單位面積吸收能量最多，鋪層角度為90°比鋪層角度為0°的材料單位面積吸收的能量多，即材料的防彈性能由強(qiáng)到弱的鋪層角度依次是45°＞90°＞0°，且在鋪層角度相同時(shí)，隨著STF中SiO2的固含量的增加，材料在單位面積的吸收能量越多。這是因?yàn)樽訌椗c防彈材料作用時(shí)，裂紋［13］沿厚度方向擴(kuò)展，剪切和破壞Kevlar纖維使之拉伸變形和斷裂，當(dāng)鋪層角度發(fā)生變化時(shí)，裂紋擴(kuò)展到與上一層鋪層角度不同的層間界面時(shí)，使之向薄弱的界面擴(kuò)展，有效地阻礙了裂紋在厚度方向上的擴(kuò)展，材料吸收更多的能量；鋪層角度為45°與鋪層角度為0°、90°相比，更多的Kevlar纖維處于拉伸模式，而復(fù)合材料拉伸耗能高于剪切變形耗能，所以當(dāng)鋪層角度為45°時(shí)，單位面積吸收能量最多；鋪層角度為90°比鋪層角度為0°的徑向紗線更多的參與吸能。STF-柔性復(fù)合材料的主要組成部分是STF和Kevlar織物，其中Kevlar纖維具有拉伸性能優(yōu)和熱穩(wěn)定性良好的特性，即Kevlar織物在受到子彈的沖擊時(shí)可以保持其較好的力學(xué)穩(wěn)定性和剪切應(yīng)力下的高斷裂伸長率，大量Kevlar纖維參與吸收能量，使得人體免于傷害。STF在高速?zèng)_擊時(shí)，STF的黏度增加，即提高了Kevlar纖維之間的摩擦力［14］，同時(shí)Kevlar纖維從TPU樹脂的拔出吸收能量，TPU樹脂裂開以及層間分裂吸收能量，有效阻止子彈沖擊。

圖4 不同鋪層角度的單位面積吸收能量

2.4 STF-柔性復(fù)合材料的主要耗能模式

圖5中，a圖和b圖為織物的彈孔正面圖，c圖和d圖為織物的彈孔反面圖。STF-柔性復(fù)合材料吸收子彈的動(dòng)能的主要方式有：圖a中的Kevlar纖維主要發(fā)生了斷裂和部分變形，而Kevlar纖維在b圖中則表現(xiàn)為受到子彈的剪切力作用而斷裂，c圖和d圖主要是Kevlar纖維的變形、抽出和部分?jǐn)嗔?，也就是說，STF-柔性復(fù)合材料在受到子彈沖擊時(shí)，前面的Kevlar纖維主要發(fā)生了剪切斷裂，后面的Kevlar纖維主要發(fā)生了變形和抽出。

圖5 彈孔處纖維的微觀圖

3 結(jié) 論

a）從STF-柔性復(fù)合材料的合理的制備工藝為：純芳綸織物置于溫度設(shè)為50℃鼓風(fēng)干燥箱中，并處理2 h，然后將干燥后的純芳綸織物在無水乙醇與STF的質(zhì)量比為1.5∶1的混合體系中浸泡5 h，最后采用鼓風(fēng)干燥箱將復(fù)合材料中的無水乙醇除去。

b）從STF-柔性復(fù)合材料和純芳綸織物的拉伸性能曲線圖中可以看出，其拉伸斷裂強(qiáng)力基本沒有變化，表明在速度較小的外力牽引下即人們穿著STF-柔性復(fù)合材料時(shí)，STF的黏度不會(huì)劇烈增加而影響人們的活動(dòng)。

c）隨著鋪層角度的變化，STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能由強(qiáng)到弱的鋪層角度依次是45°＞90°＞0°，且在鋪層角度相同時(shí)，隨著STF中SiO2的固含量的增加，STF-柔性復(fù)合材料的防彈性能越好。

d）STF-柔性復(fù)合材料消耗沖擊動(dòng)能主要是STF體系的黏度增加，提高Kevlar纖維之間的摩擦力，其耗能形式為Kevlar纖維斷裂、變形和抽出。

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Study on BuIIetproof Property of STF-fIexibIe Composite

SUN Xi-chaoa，LI Yan-qinga，b，WU Zhonga，ZHUCheng-yana，b*
（a.School of Materials and Textiles；b.National Engineering Technology Research Center of Modern Textile Manufacturing Technology；c.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

To study the bulletproof property and impact energy consumption mode of STF-flexible composites，pure Kevlar fabric and STF dispersion system are used to prepare the STF-flexible composites according to certain technology firstly.Then，the universal material testing machine is used to test tensile property.With the help of a pneumatic high-speed launchers，the bulletproof property of STF-flexible composites with different SiO2solid content and different layering angles is tested.The bulletproof property is expressed with the energy absorbed pre unit area.The results show that when universal material testing machine was at a low speed，breaking strength of pure Kevlar fabric and STF-flexible composites isbasically consistent.This indicates that the viscosity of STF will not sharply increase or influence people's activities.With the increase in SiO2content from 0 to 45%，the absorbed energy per unit area increases to 87.4 J·m2/kg from 78.8 J·m2/kg.This means the bulletproof property of STF-flexible composites becomes better.The descending order of the influences of the layering angles on bulletproof property is as follows：45°，90°and 0°.

composite；shear thickening fluid；ballistic property；energy consumption mode

1673-3851（2014）02-0127-06

TB334

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

2013-09-06

浙江省國際科技合作專項(xiàng)（合作研究）項(xiàng)目（2012C24013）

孫西超（1988-），男，安徽亳州人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品研究。

祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn