鋪層Kevlar裝甲材料的制備及力學(xué)性能*

張婷婷 鄭建華 田鷺新 曹海建 鐘崇巖 黃曉梅

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019；2. 江蘇百護(hù)紡織科技有限公司，江蘇 宿遷 223800

芳綸復(fù)合材料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、斷裂伸長率好、抗破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]，其在防彈裝甲領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。國內(nèi)外相關(guān)的研究有很多，例如：陳虹等[4]研究了輕質(zhì)芳綸復(fù)合裝甲應(yīng)用于防彈車的必要性，以及芳綸復(fù)合材料的防彈機(jī)理，介紹了輕質(zhì)防彈裝甲在各式防彈車中的應(yīng)用實(shí)例，得出芳綸應(yīng)用于防彈車是完全可行的且應(yīng)用前景廣闊的結(jié)論；李歡秋等[5]基于彈道試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了56式7.62 mm普通鋼芯彈貫穿裝甲鋼復(fù)合芳綸泡沫夾層結(jié)構(gòu)的全過程，探討了不同復(fù)合形式的裝甲鋼復(fù)合芳綸泡沫夾層結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果；焦亞男等[6]將超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維、S-玻璃纖維、芳綸1414和雜環(huán)芳綸等分別與水性聚氨酯(WPU)組成樹脂體系，研究并發(fā)現(xiàn)它們的防彈性能由高到低依次為UHMWPE纖維、雜環(huán)芳綸、芳綸1414、S-玻璃纖維；董超亮等[7]利用熱壓工藝將新型熱固性樹脂(AFR-T)與芳綸復(fù)合，發(fā)現(xiàn)AFR-T與芳綸之間的浸潤性和界面黏結(jié)性能都較好；TALIB等[8]、NAIK等[9-10]分析了Kevlar-29與Al2O3/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗沖擊性能，并建立了彈道沖擊方程。

本文將以10層Kevlar織物作為增強(qiáng)體，以環(huán)氧樹脂E-51與聚醚胺WHR-H023組成的樹脂體系為基體，通過復(fù)合制備鋪層Kevlar裝甲材料，重點(diǎn)研究鋪層Kevlar裝甲材料的拉伸性能、彎曲性能及它們的破壞形貌，以期為該類材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工程化應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與設(shè)備

1.1.1 原材料

Kevlar機(jī)織物，平紋，經(jīng)緯紗線密度均為88.89 tex，經(jīng)緯向密度均為90根/(10 cm)，織物面密度為210 g/m2，思維奇碳纖維制品有限公司提供；環(huán)氧樹脂E-51，南通星辰合成材料有限公司提供；固化劑聚醚胺WHR-H023，無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司提供。

1.1.2 設(shè)備

101A-4S電熱鼓風(fēng)干燥箱，南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司；Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，美國Instron公司。

1.2 復(fù)合工藝

將環(huán)氧樹脂E-51和聚醚胺WHR-H023按質(zhì)量比4 ∶1組成樹脂體系，然后利用手糊成型工藝將10層Kevlar織物以質(zhì)量比1 ∶1與樹脂體系復(fù)合，獲得鋪層Kevlar裝甲材料，具體工藝參見文獻(xiàn)[11]和[12]。

1.3 拉伸性能

鋪層Kevlar裝甲材料的拉伸性能測試參照GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[13]標(biāo)準(zhǔn)。具體為經(jīng)緯向各取5塊尺寸為200 mm×20 mm的試樣，測試跨距為150 mm，拉伸速率為100 mm/min。

1.4 彎曲性能

鋪層Kevlar裝甲材料的彎曲性能測試參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》[14]標(biāo)準(zhǔn)。具體為經(jīng)緯向各取5塊尺寸為150 mm×60 mm的試樣，測試跨距為100 mm，彎曲速率為2 mm/min。

1.5 破壞形貌

拉伸與彎曲的破壞形貌皆由Canon Eos M6 EF-M型相機(jī)拍攝并記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 拉伸過程

鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)緯向的拉伸性能相似，故本文以經(jīng)向?yàn)槔?，其拉伸載荷-位移曲線和拉伸破壞過程分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線

圖2 鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向的拉伸破壞過程

由圖1可以看出，5塊鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向的拉伸載荷-位移曲線基本相似。以曲線1為例：試樣的位移先隨著拉伸載荷的增加而增大，對應(yīng)曲線1上的a～b區(qū)間；接著，伴隨著試樣的完全斷裂，拉伸載荷達(dá)到最大值，對應(yīng)曲線1上的b點(diǎn)；隨后，拉伸載荷迅速下降，拉伸過程結(jié)束，對應(yīng)曲線1上的b～c區(qū)間。

從圖2可以看出，鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向的拉伸破壞過程都是先由兩側(cè)外層的織物分層、斷裂，再逐漸向內(nèi)層轉(zhuǎn)移的，這說明分層是鋪層Kevlar裝甲材料的主要破壞模式，破壞次序?yàn)椴牧系耐鈱又饾u向內(nèi)層轉(zhuǎn)移。

2.1.2 拉伸斷裂強(qiáng)度及拉伸斷裂處形貌

漢代服飾奠定了中國傳統(tǒng)服飾的基礎(chǔ)，但楚國時(shí)期和秦國時(shí)期文化對漢代服飾的特點(diǎn)和風(fēng)格造成了一定程度上的影響，楚浪漫與肆虐，秦渾樸與謹(jǐn)飭，漢代服飾浪漫渾樸的風(fēng)格就是繼承楚秦形成的，而后又經(jīng)過自身的不斷發(fā)展最終成為獨(dú)具特色的漢代服飾風(fēng)格，對其后的服飾提供模范和借鑒。

鋪層Kevlar裝甲材料試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 鋪層Kevlar裝甲材料試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度

由圖3可知：(1)鋪層Kevlar裝甲材料試樣的經(jīng)緯向拉伸斷裂強(qiáng)度相近，都約為270 MPa；(2)緯向拉伸強(qiáng)度的離散值較經(jīng)向大，這主要與手糊成型工藝的不穩(wěn)定性有關(guān)。

圖4為鋪層Kevlar裝甲材料試樣的拉伸斷裂處形貌。

圖4 鋪層Kevlar裝甲材料試樣的拉伸斷裂處形貌

由圖4可以看出：(1)鋪層Kevlar裝甲材料試樣中各層織物的斷裂形貌相似，斷口都呈不規(guī)律的曲線狀，且斷口處均有纖維拔出，少數(shù)纖維還存在牽連。(2)對于經(jīng)向拉伸的試樣，經(jīng)向纖維為承載主體，緯向纖維保存較為完好；對于緯向拉伸的試樣，緯向纖維為承載主體，經(jīng)向纖維保存完好；拉伸結(jié)束后，試樣會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)，試樣表層會(huì)出現(xiàn)一條條垂直于拉伸方向的樹脂碎裂堆積的白色痕跡。

2.2 彎曲性能

2.2.1 彎曲過程

鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)緯向的彎曲性能相似，故本文仍以經(jīng)向?yàn)槔鋸澢d荷-位移曲線和彎曲破壞過程如圖5和圖6所示。

圖5 鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向彎曲載荷-位移曲線

圖6 鋪層Kevlar裝甲材料試樣經(jīng)向的彎曲破壞過程

由圖5可知，鋪層Kevlar 裝甲材料試樣經(jīng)向的彎曲載荷-位移曲線基本相似。以圖5中的曲線1為例：位移先隨著彎曲載荷的增加而增加，兩者幾乎線性相關(guān)，對應(yīng)曲線上的a～b區(qū)間；接著，彎曲載荷達(dá)到最大值，對應(yīng)曲線上的b點(diǎn)，此時(shí)試樣完全被破壞；隨后，位移繼續(xù)增加，彎曲載荷緩慢下降并逐漸趨于平穩(wěn)，彎曲過程結(jié)束，對應(yīng)曲線中的b～c區(qū)間。

由圖6可以看出，鋪層Kevlar裝甲材料試樣在經(jīng)向彎曲過程中沒有出現(xiàn)明顯的斷裂和分層，這表明鋪層Kevlar裝甲材料具有很好的韌性；彎曲過程中，壓頭對試樣的上表面進(jìn)行了壓縮而形成壓應(yīng)力，試樣的下表面則隨著壓頭施加的壓力慢慢往兩邊延伸而形成拉應(yīng)力，整個(gè)過程中試樣上表面的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成下表面的拉應(yīng)力[15]。

2.2.2 彎曲斷裂強(qiáng)度及彎曲斷裂形貌

鋪層Kevlar裝甲材料試樣的彎曲斷裂強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 鋪層Kevlar 裝甲材料試樣的彎曲斷裂強(qiáng)度

由圖7可知：(1) 鋪層Kevlar裝甲材料試樣的緯向彎曲斷裂強(qiáng)度(120 MPa)優(yōu)于經(jīng)向(93 MPa)；(2)緯向彎曲斷裂強(qiáng)度離散性大于經(jīng)向，這與手糊成型工藝的不穩(wěn)定性有關(guān)。

圖8為鋪層Kevlar裝甲材料試樣的彎曲斷裂形貌。

圖8 鋪層Kevlar裝甲材料試樣的彎曲斷裂形貌

由圖8可以看出：(1)試樣經(jīng)緯向彎曲斷裂形貌相似；(2)試樣正面沒有出現(xiàn)明顯的斷裂和分層，只是受壓應(yīng)力作用，壓頭處出現(xiàn)了清晰的白色壓痕，且壓痕周圍有細(xì)小的裂痕且呈不規(guī)則狀態(tài)，這是試樣受壓后樹脂碎裂所致的；試樣背面只出現(xiàn)了少量凸起的痕跡，整體無明顯的破壞痕跡。

3 結(jié)論

(1) 分層是鋪層Kevlar裝甲材料拉伸過程中的主要破壞模式，且破壞次序是從其外層逐漸向內(nèi)層轉(zhuǎn)移的。

(2) 鋪層Kevlar裝甲材料的經(jīng)緯向拉伸性能相近，但緯向拉伸性能離散性較大，這與手糊成型工藝的不穩(wěn)定性有關(guān)。

(3) 鋪層Kevlar裝甲材料在彎曲過程中沒有出現(xiàn)明顯的斷裂和分層現(xiàn)象，表現(xiàn)為具有良好的韌性。

(4) 鋪層Kevlar裝甲材料的緯向彎曲斷裂強(qiáng)度大于經(jīng)向，且緯向彎曲斷裂強(qiáng)度離散性較大，這與手糊成型工藝的不穩(wěn)定性有關(guān)。