芳綸1414裝甲材料的制備及拉伸性能探討

李 杜 陳清清 張玲麗 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226019）

纖維增強樹脂基裝甲材料具有低體積密度、高強高模、高比吸收能等優(yōu)點，在滿足抵御一定口徑子彈威脅的同時還能滿足輕量化要求，其中熱塑性樹脂基裝甲材料較熱固性樹脂基裝甲材料具備更加優(yōu)異的抗子彈沖擊性能和能量吸收性能［1］。但熱塑性樹脂黏度較大，不利于增強纖維的分布和樹脂的浸漬；通常采用預(yù)浸漬法以及后浸漬法進行改善，溶液浸漬法需要找到合適的溶劑［2］；熔體浸漬工藝主要用于耐溶劑，且黏度相對較小的聚合物［3-4］。粉末浸漬法浸漬效果與粉末細微程度有關(guān)，成本較高［5］；薄膜層疊法制備低孔隙率的復(fù)合材料較困難［6］；混紡紗浸漬法中不合適的纖維混和方式會損傷增強纖維，降低材料性能［7］；包覆紗作為浸漬法中混紡紗的一種，芯紗保持無捻狀態(tài)，能充分利用增強纖維的力學(xué)性能，也能使樹脂基體纖維與增強體纖維均勻分布，很大程度上減小了浸漬中樹脂流動的距離，克服了熱塑性樹脂浸漬難的問題。

裝甲材料的力學(xué)性能與防彈性能關(guān)聯(lián)密切，且裝甲材料也要滿足各種服役環(huán)境下基本的結(jié)構(gòu)強度需求，因此裝甲材料的力學(xué)性能研究十分重要。何業(yè)茂等［8］研究發(fā)現(xiàn)，UHMWPE纖維增強熱塑性復(fù)合材料的抗彈道侵徹性能與其準靜態(tài)下的拉伸斷裂強度、層間剪切強度呈正相關(guān)的關(guān)聯(lián)機制。方心靈等［9］發(fā)現(xiàn)，樹脂含量在15%～25%時，無緯布的拉伸強度、層間剝離強度以及沖擊強度均表現(xiàn)優(yōu)異，對應(yīng)的防彈性能最好。LEE B L等［10］研究發(fā)現(xiàn)，織物紗線交錯方式會對其力學(xué)性能以及彈道沖擊性能產(chǎn)生很大的影響。KARBALAIE M等［11］研究發(fā)現(xiàn)，在120℃～130℃熱壓溫度范圍內(nèi)，UHMWPE纖維復(fù)合材料的彎曲性能以及沖擊性能最優(yōu)；程建芳［12］研究發(fā)現(xiàn)，模壓壓力對復(fù)合材料的彈道沖擊性能影響最大，能量吸收與復(fù)合材料的拉伸性能和剝離性能有著一致性。

本研究制備了錦綸芳綸1414包覆紗及系列平紋織物，利用熱壓工藝將平紋織物制備成裝甲材料，重點研究了成形工藝、含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 包覆紗的制備

采用HKV141D型包覆絲機，在導(dǎo)紗距離10.5 cm、內(nèi)包捻度400捻/m、外包捻度320捻/m的雙包覆紗工藝下，將錦綸長絲（PA）分兩次纏繞到芳綸1414長絲表面，制備出雙包覆紗，其結(jié)構(gòu)見圖1［13］。其中，芳綸1414線密度666.6 dtex，斷裂強力122.6 N；PA有兩種，線密度77.7 dtex的PA斷 裂強力3.2 N，線密 度155.5 dtex的PA斷裂強力5.1 N。加工的包覆紗共4種，包覆紗1外包紗/內(nèi)包紗/芯紗為PA/PA/芳綸1414 155.5/155.5/666.6，另外包覆紗2至包覆紗4依次為PA/PA/（芳綸1414+PA）155.5/155.5/（666.6+77.7）、PA/PA/（芳綸1414+PA）155.5/155.5/（666.6+155.5）、PA/PA/（芳 綸1414+PA+PA）155.5/155.5/（666.6+77.7+155.5）。

圖1 雙包覆紗結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 包覆紗平紋織物的制備

采用SGA598型半自動織樣機，以包覆紗1為經(jīng)紗、包覆紗1至包覆紗4為緯紗制備4種織物，分別記為織物1、織物2、織物3和織物4，織物單位面積質(zhì)量依次為186 g/m2、200 g/m2、212 g/m2和232 g/m2，織物經(jīng)密和緯密均為90根/10 cm。

1.3 裝甲材料的制備

將20 cm×20 cm的單層包覆紗平紋織物放入Carver4386型熱壓機中，經(jīng)過加熱、加壓等步驟，確保在一定的溫度下PA熔融，并在壓力以及時間的作用下，PA樹脂可以充分完成對芳綸1414的浸漬，制得單層芳綸1414裝甲材料。

1.4 拉伸性能測試

參考GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》［14］，利用5969H型Instron萬能材料試驗機測試裝甲材料的拉伸性能，夾具間距120 mm，加載速度2 mm/min，每組樣品測試10次，取5個有效數(shù)據(jù)。

1.5 形貌分析

采用MC190-HD型光學(xué)顯微鏡觀察裝甲材料表面形貌以及拉伸破壞形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 成形工藝對裝甲材料拉伸性能的影響

影響裝甲材料性能的熱壓工藝因素有很多，試驗選取熱壓溫度（因素A）、熱壓壓力（因素B）、熱壓時間（因素C）作為變量，設(shè)計正交試驗L9（33），對緯向拉伸強度進行分析。因素水平表見表1，正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表1 因素水平表

表2 正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果

表3 對緯向拉伸強度的極差分析

由表2和表3可以看出，熱壓工藝參數(shù)對裝甲材料緯向拉伸強度影響的極差大小順序為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間，說明熱壓溫度對裝甲材料緯向拉伸強度影響最大，熱壓壓力次之，熱壓時間影響最小。通過表3可以得出，以緯向拉伸強度作為評價指標的最優(yōu)工藝為A2B3C3，即為熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min。按照最優(yōu)工藝進行試樣制備，所得試樣的緯向拉伸強度為369.8 MPa，其數(shù)值高于正交試驗表中所得到的最大拉伸強度356.3 MPa。這是因為，隨著熱壓溫度的升高，PA基體的黏度變小，有利于PA樹脂流動，也有利于PA樹脂對芳綸1414的浸潤；但熱壓溫度過高，既會引起PA氧化分解，也會影響芳綸1414的強度，影響復(fù)合材料的成形質(zhì)量；隨著熱壓壓力、熱壓時間的增加，裝甲材料拉伸強度有所增加，適當?shù)臒釅簤毫σ约盁釅簳r間既可以改善織物層間的熱量傳遞，促進PA的流動，也可以保證PA樹脂充分浸潤芳綸1414，提高裝甲材料承擔(dān)載荷的能力。

2.2 含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響

熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min條件下，對4種規(guī)格的包覆紗織物進行熱壓，得到含膠量依次為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料，其拉伸性能測試結(jié)果見表4。

表4 不同含膠量裝甲材料拉伸性能測試結(jié)果

由表4可以看出，含膠量在34%～45%內(nèi)，裝甲材料的拉伸強度、模量均隨著含膠量的增加而下降；斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。這是因為，樹脂含量過低會導(dǎo)致樹脂無法很好地浸潤纖維，樹脂傳遞載荷的能力下降；但含膠量過高會導(dǎo)致復(fù)合材料受力時樹脂基體破壞，而非界面破壞，導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低［15-16］。

由表4還可以看出，含膠量相同時，裝甲材料緯向拉伸強度、模量都優(yōu)于經(jīng)向。這是因為，在織造過程中，經(jīng)紗會受到張力以及各種摩擦損傷；經(jīng)紗在復(fù)合材料中存在形式屈曲度大于緯紗，在經(jīng)向收到拉伸載荷時，經(jīng)紗與受力方向形成一定夾角，降低了分擔(dān)載荷的效果，使得裝甲材料的經(jīng)向拉伸強度不如緯向［17］。

2.3 裝甲材料拉伸過程分析

含膠量為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料受到拉伸載荷時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。

由圖2可以看出，經(jīng)向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中a′-b′段曲線是斜率急劇上升，彈性模量較大；b′-c′段較平緩，斜率較小；c′-d′段曲線下降。沿著經(jīng)向拉伸時，a′-b′段對應(yīng)纖維與樹脂開始脫黏，樹脂碎裂，試樣表面泛白，此時PA樹脂最先破壞；b′-c′段對應(yīng)載荷方向的紗線掙脫周圍的基體慢慢由彎曲變伸直，并承擔(dān)載荷；c′-d′段對應(yīng)紗線開始斷裂直至破壞階段。緯向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，a-b段應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈現(xiàn)近似線性增長趨勢，b-c段曲線下降。沿著緯向進行拉伸時，纖維與基體幾乎同時斷裂。

圖2 不同含膠量下的裝甲材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 裝甲材料拉伸破壞形貌分析

含膠量34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料經(jīng)向和緯向受到拉伸載荷后的破壞形貌見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，從宏觀角度觀察，經(jīng)向拉伸斷裂口相對不平整，緯向拉伸斷裂口平整；從細觀角度觀察，裝甲材料無論經(jīng)向還是緯向，主要破壞方式為紗線斷裂以及樹脂碎裂。

圖3 裝甲材料經(jīng)向拉伸破壞形貌

圖4 裝甲材料緯向拉伸破壞形貌

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗得出了最佳的熱壓工藝，即當熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min時，所得裝甲材料拉伸強度最優(yōu)。

（2）含膠量在34%～45%范圍內(nèi)，裝甲材料的拉伸強度、模量隨著含膠量的增加而下降，斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。

（3）含膠量相同時，裝甲材料緯向拉伸強度和模量均優(yōu)于經(jīng)向。

（4）單層裝甲材料在受到拉伸載荷時，經(jīng)向和緯向的破壞方式主要是紗線斷裂和樹脂碎裂。