（材料学专业论文）新型抗弹芳纶复合材料研制及其抗弹性能表征评价研究.pdf

鬟圭鎏塞! 堑型篁塞薹筑塞童塑型墅墅星基垫塑丝蹩奏惩堡! ! ! ! ! ； ! 摘要 嫩文分绍了一转耨型抗弹芳纶复合材料的研制及其抗弹性能的 表征评价工作。i 根据复合材料抗弹机理和对国内外资料的调研，设 计了新型抗弹芳纶笺台材率串的基体树脂体系e v a 弹性树滕体系褥 配方。通过对该材艨体系骢热物理特性和流动特性选行了表孳歪，初 步确定了该复合材料的成越工艺区间和使用温度范围。根据纱束展 开原理，突破了纱束展开器设计制造技术；并采用研制的展开器制 备了纤维当豢法数n 。 2 4 j 砰k g 一，达到了合同规 定的战技指标。) 对新型抗弹芳纶复合材料的抗弹性能进行了表征， j 找出了其抗弹性髭与复合乾板蔼密度、法线角以及球形侵彻体直径 之闯的关系。在此基础上，对复合材料抗弹机理作了灏的定性分析， 并提出了“刚性”假设。 关键嘲：芳纶纾维复合毒毒料，热塑性弹性体，纱袁蠼开技术、预浸 料制造、抗弹性能、抗弹机理。 堡圭亟圣；堑型垫塞薹丝基童丝壑堑型星星垫塞丝螫垂堡堡丝堡量 ! a b s t r a c t ： an e w c o m p o s i t e a r l t l o rm a d eo fa n t i - b a l l i s t i ca r a m i d - f i b e r - r e i n f o r c e d p o l y m e r ( a a f r p ) w a si n v e n t e da n di t sa n t i b a l l i s t i c p e r f o r m a n c e sw e r e c h a r a c t e r i z e da n de v a l u a t e d b ym e a n s o ft e r m i n a l b a l l i s t i cs i m u l a t i o n ( t b s ) m e t h o d an e w s y s t e m o f t h e r m o p l a s t i c e l a s t o m e rw a sd e v i s e da sm a t r i xo fa a f r pa n di t st h e r m op h y s i c sa n d t h e r m o f l o w i n gp r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e db y t g d s ca n dm i ( m e l ti n d e x ) t e s t a na p p a r a t u sc a l l e d ”s p r e a d e r ”w a sd e s i g n e da n d f a b r i c a r e d ，w h i c h w a su s e dt of a b r i c a t e da l la d v a n c e du n i d i r e c t i o n a l p r e p r e g ( a u p 、i n t h i ss t u d y 皿ee q u a ln u m b e ro ff i l a m e n t si n p r e p r e g ( 1 1 0 ) c a n b er e d u c e dt ol e s st h a n1 6 t h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s w e r ed e c i d e d b y t h er e s u l to f r e l a t i o n s h i pb e t w e e n a n t i b a l l i s t i c p e r f o r m a n c e a n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fa a f r p t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt l l ea n t i b a l l i s t i c p e r f o r m a n c e sa n dc o m p o s i t e s t r u c t u r a l d e s i g n a t i o np a r a m e t e r so fa a f r pw e r ee x a m i n e d a n d s os o m e k e y s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d f r o mt h ee f f o r t s a b o v e ，t h e s p e c i f i ce n e r g ya b s o r p t i o n ( s 。) o fa a f r pt a r g e ta g a i n s t 1 0 3 9 r a mb a l l t y p ef r a g m e n t s i m u l a t i o np r o j e c t i l e ( f s p ) c a nr e a c ht o 2 4 0 j m 2 k g - 1w h i c hs a t i s f l e dr e q u i r e m e n to ft h et o pp r o j e c t t h e n ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e na n t i b a u i s t i c p e r f o r m a n c e a n da r e a d e n s i t y ， a p p l i q u ea n g l eo fc o m p o s r e a r r l l o rt a r g e ta n dd i a m e t e r so ff s pw e r ea l s o i n v e s t i g a t e d f i n a l l y t h e a n f i b a l l i s t i cm e c h a n i s mo faa f r pw a s d e s c r i b e d b a s i n g o nt h er e s u l ta b o v e a h y p o t h e s i s o f ”s t i f f n e s s w a s g i v e n k e y w o r d ：a r a m i d f i b e r - r e i n f o r c e d c o m p o s i t e ，t h e r m o p l a s t i ce l a s t o m e r ， f i l a m e n t ss t r a n ds p r e a d i n g ，p r e p r e gf a b r i c a t i n g ，a n t i b a l l i s t i cp e r f o r m a n c e ， a n t i b a l l i s t i cm e c h a n i s m 矮士论文新型藏弹嚣缝疑夸材料翳捌及其抗辩性能羲链谭价5 珏辩 t 写l 言 1 1 谍题背景 本谦题蓬中鬣兵器工曼菪五三爵究瑟承莲羲鋈黪餐王委“尧五” 跨行业重点课题“寓效抗冲击复合材料应用研究”申爨要研究 内容之一。穰据课题台闵要求，“充五”蘩麓本专题蔫赣裁新鍪芳纶 拣辫蹙舍材糕，绽其撬辫整毖达到合耀规定的竣技糖括，并完戎英 防护性能的袭征评价工作。在蛇基础上，还需根撩麓号需求开餍该 嚣耩魏王程塞震秀发王誓鍪。 1 2 圈内外劳纶抗弹复合材料应用研究情况 劳凳纾缍黎强蘸褥黪墓抗簿菱合餐辩 荚文瘩蠡： a n t i b a l l i s t i ca r a m i df i b e rr c m f o r c e dp o l y m e r ( 以下简称芳纶抗弹复合材 聿串，a f r p 是近年来溪离凳装甲醣护材稀研究薛熬点之一。由亍 它舆骞蜜捷惩，比黪护性能 黪护挫缝与其密赛翡比笾j 鬻，性爱 可设计性磁，易干与其它抗弹材料复合使用，并具有一定的多功能 淫簿显著特点，在装擎落护矮壤受囊了广泛酶重恚琵，鏖囊效暴曼萋。 目前该类材料的应瞒研究主要集中在新激抗弹复合材料体系再 镶疑英抗辩注琵酶表征谔嚣、抗簿撬琏爵究、泼瑟嚣莽髂系酶互藿 瘟捌爨究警方垂。 1 2 1 芳输抗拜复合材辩体系发展及英特点 芳鲶野缝霪畿撬弹爱舍嚣瓣漂子七年代惹麴。美翟d u p o n t 公 司此时成功开发了一种穗为k e v l a r 的高强魔芳族聚酰胺纤维，并蒋 冀残臻建运壤子襞等蠹护镶葳。在楚后2 0 3 0 每孛，撬殍菱台精饕 及熟相关技术的班究迅涟崛起，使熟成为倍受青晾的一粪新型壤甲 黪护祷释。 顿土沱文：新型抗弹芳纶巍夸材料研制及其抗弹性能表 正详榆研竞 2 近年来，芳纶抗弹复合材料体系的发展主要表现在以下三个方 兹： 1 2 1 1 高性能抗弹纤维的研制与开发 裔性畿斡芳纶纾维是其复合褥车孚具备抗弹性麓毂关键。七卡年 代d u p o n t 的k e v l a r 诞生以来至今，美圈、前苏联( 现俄罗斯) 、荷 兰、日本以及中国等国家鄱致力予开发具有抗弹价值的高性能芳纶 纤维。表t 是目前该类材料中采用的部分芳纶纾维的有关数据。 袭1芳纶纤维有关数据 k e v l a r - 2 9 k e v l a r 4 9 k e v l a r 1 2 9 k e v l a r - 1 4 9 k e v l a r - 6 8 美翻 d u p o n t 3 7 0 03 4 3 7 0 01 2 7 4 2 7 01 1 2 2 8 3 31 6 5 2 9 0 01 0 0 4 41 4 4 2 51 4 4 1 ，4 4 1 4 7 3 2量4 4 4 8 6 0 9 3 9 0 8 8 1 9 1 0 5 9 5 8 3 3 3 t w a r o n荷兰2 8 3 07 03 61 4 46 9 7 2 t w a r o n c ta k z o3 3 1 09 03 3l 。4 47 9 0 6 t w a r o n 一 【mn o b e l 2 8 3 01 2 l2 11 4 59 1 3 5 c b m 珏醛5 0 芳纶1 4 1 4 俄罗斯4 4 0 0 1 3 04 0 1 4 39 5 0 1 鑫本常人3 1 0 0 7 54 21 3 97 2 4 2 中国3 0 0 01 0 02 71 4 48 3 3 3 m 理论李由向声速= ( 拉停模量密度) 嘏 硕士论文新型抗弹芳纶复鲁讨科研制及翼抗弹性能表征评价研究 3 近年来，随着对复合材料抗弹机理认识的深入，专用于抗弹复 合材料的特种芳纶纤维制造技术有了新的发展，如d u p o n t 公司开发 的k e v l a r 一1 2 9 ( h t ) 、k e v l a r k m 2 1 等新型抗弹纤维。而荷兰 a k z o n o b e l 公司也成功地开发出t w a r o nm i c r o f i l a m n e n t ( 2 新型 抗弹纤维，其复合材料防护性能与普通型纤维复合材料体系相比提 高了3 0 左右。 根据抗弹复合材料的特殊需要，纤维制造厂家对纤维的表面进 行了适当的化学或物理方法处理( 3 ，使复合材料中纤维与基体的界 面粘结强度适宜，保证和提高了复合材料的抗弹性能。 1 2 1 2 基体树脂体系应用研究 基体树脂体系是保证复合材料根据不同应用场合发挥最大效能 的关键所在。不同的树脂基体往往使得复合材料在装甲防护的不同 领域发挥适当的作用。 早期的抗弹复合材料品种少、功能单一，其体系多采用热固性 刚性树脂体系。典型的树脂体系主要包括环氧、酚醛、聚酯( 包括 不饱和的和饱和的) 及其各种改性体系4 ) 5 6 ) 似舢。由于对复合材料杭 弹机理的认识较为浅薄，所以这类体系的防护性能相对较低，而且 制造成本高，周期较长。 随着抗弹复合材料研究( 特别是防护机理研究) 的深入，进入 八十年代以来，各种新型的高性能、多功能的抗弹复合材料大量出 现。研究发现，抗弹复合材料是与结构复合材料在设计j 隹则上有显 著差别的一类特种功能材料四1 。其设计准则，尤其是基体树脂体系的 设计与结构复合材料大相径庭。与典型的热固性树脂体系相比，新 出现的树脂体系大多为成型工艺简单，强度相对较低、弹性模量柜 差1 2 个数量级的热塑性剐性或柔弹性树脂体系1 0 ) ( “) ( 跎) 。典型刚惶 鞭士论文藜登撬弹蒡纶冀鸯诺糕研教f 袋翼撬弹挂憨最硅谭绘氍竞 4 树脂体系包括多种热担性树脂体系( 如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、 聚碳酸酯、聚酰胺、热望性聚酪、爱鬣簿 ；獒鳖戆柔弹注体系包括 各种热塑性弹性体树脂体系( 如s b s 、s i s 、p i b 、p u 等) 。 这类体 系与传统的抗弹复合材料体系相 匕，其抗弹性能有了质曲提高。男 羚，舒对未隶装孕事辆结构复合装甲的耨型热豳挫树艟的发展也职 得了长足的进步和发展。总的来暂，高性能、多样化的基体树脂体 系捷褥抗撵复合材料胃谩计缝强的佬势得裂了充分蘸侮理。 1 2 1 3 复合材科结构设计研究 熨合耪瓣结蕊设计是决定复合挂辩最终剿器 本课题为复台靶 板) 抗弹性能的关键。结构设计的原则建立在对复合材料抗弹机理 认识的基础上，同时又指导着复合材料的抗弹梳理认识的深入和提 妾。总结近年寒耋琨的专到技末( 1 l x 氆可以着窭，要婺设计妁结构参 数包括：复合材料中织物形式，预浸料特性参数，纤维体积含量， 疆浸将铺篡方式等。这些参鼗对复合材料抗弹性琵的影穗有些已达 成了共识( 如织物形式、铺层方式) ，但有的尚未达成共识。而且这 些参数靖复合精籍撬弹注麓酶彩嗡橇裁澎不十分臻礁。 1 2 。2 抗弹复合材料剁造技术的发展 抗弹复合材料制遣技术是指在抗弹复合材料铺造过程中能够保 证争提嵩冀抗弹牲麓魏割造挂拳，竣瑟在保证其抗簿瞧篷不降低鹊 前提下显著提高生产效率或降低工艺成本的制造技术。该粪技术对 予吝静抗簿笺合材料买畜一定酶逶惩幢。透每来，嚣跨嚣对抗弹簧 合材料在不同应用条件下复合体系的多样性研制开发出相应的多项 关键技术。 l ，2 ，2 ，1 先进骥浸耪制遣技术 先进预浸料制造技术是提高和保证复合材料抗弹性能的关键芦 千 鞭论义：蕤型抗弹蒡纶复仓材瓣礤潮及其撬弹幢麓表征谭输礤究 5 在，也是实现复合材料预浸料高效连续化生产的关键所在。荷兰d s m 公司u d 系爹l 预浸料酶专季薯制造技术是器蓑薰际上最蠹先逢酶抗弹 复合材料预浸料生产技术) 。采用该专利技术生产的u d 系列超高 分子量聚乙烯纤维复合材料成为瑟前世器上比防护性能最高的材料 体系之一。凰内目前因尚未掌握该技术的关键纤维束的精确展 开技术，且没有该类抗弹餐合材料专用预浸料的制造设备，故研制 楮辩的跨护性缝与墓玲存在一定的差踅，嚣王韭纯生产鲍差题烫太。 1 2 2 2 高性能抗弹织物复合材料制造技术 高幢能酶抗弹缀耪复合楮翻造技术是实琨抗弹复合榜籍王韭优 生产，降低制造费用的又一项关键技术。该技术的核心是采用抗弹 纤维织物与熟有良好热流交性能的树脂体系胶膜通适煞压复合一次 完成抗弹复合材料制品制造过程( 1 4 ) 。它省去了工艺成本高、技术难 度大的预浸料制备工艺，降低了生产成本，提高了生产效率。国内 滏未冕将该惠技隶瘸子抗强复合专考料的糊备曲掇遭。 1 2 3 抗弹复合材料的性能袋征 准确评价复合耪料的抗弹怪能是复合材料成功运耀的篓础，也 是指导复合材料研究进展的关键。复合材料抗弹性能的表征方法是 通过测试复合材半串乾板在一定测试条件下对特定弹丸的防护能力来 实现的。嚣蔫国际上公认妁表征谔价方法有嚣耪：法“6 ) 、 匕 吸能性法n 酗。目前国内采用的表征评价指标也是这两种。 法是速过溅定一定嚣密度戆复合耪耨靶板在贾穿转佳蟪概 率为5 0 时弹丸的入射这受。该值仅能反应材料在应交率变化为 1 0 4 0 之间辑科的能量总的嗫收过程。该值对子实验条俘有明显的 依赖性。 比吸能性法是建立在v 如法基础上的一种测试方法。这种方法是 鞭论文：新型藏弹秀蛇袋窖碍料辨躺& 翼撬弹性麓最征撵螗嘏嚣 6 通过由k 。，值计算中的弹丸的入射能量与复合材料靶板面密度的比值 霹得到。该评份捂掾及译铃方法翡基秣是骥复合材料羲嚣护幢楚与 其面密度无关的假设。这种假设在一定条件下具有近似的合理性， 但并寒反应入嚣弹丸瓣忍诲参数对桴耩戆量嗫收特性媳彰响。男外， 出于采用值，本质上仍无法避免法的巢些缺陷。 爵前测试方法采埔的标准为：国际上为美丽军用标准静n a t o 馥s t a n g n a g 嚣准。我所采鼹妁妻己抟金监褥准。其蒸别主娶 在于选用弹型上。燕国和n a t o 的标准采用的是一种带倒角的准圆 柱形碎片摸款弹 f s p 。这器强裁造成本高，对灞试设备竞英是 测逮枪) 要求高，测试成本也较商。虽然该f s p 能够有效地模拟真 实瞬熄弹破冀，侄漓试结暴的通灞性较羲。我所采蘑的球形f s p ， 测试结暴妁通用牲应当好于西方的f s p 螅测试结果。但两者之间的 可比性尚不清楚。 1 2 ，毒焚合l 孝辫抗弹枕理砑突 凝合材料抗弹机理的阱究是抗弹炭合材料应用晰究发艘的蕊 穗。对予祷辩鑫震礴突人员来邀，有价傻薅抗簿抚理对 于籽研裁与 应用典有重嚣意义。目前该领域的研究主要有两种思路。一种是采 餍将由鞠震会属褚料获得的 采鞠l a g r a n g e 或e u t e r 方法) 纯蓬论性 模型终一定鲢修正来爨究爱合材料魏特性1 8 ) ( 心) ( 2 。) ( 2 1 ) ( 2 劫。该粪模型对 于特定的材料和测试体系具有一定的准确性，但由于对复合材料采 麓了过多鸷镁设，没赛俸现塞复合嚣耨设诗嚣索蓊彩睦，哉逶j 毳链 差，礁以用于指导材料的设计工作。另一种则憋以复合材料设计参 数为高炭点，研究菱合靖耨各缢伶及英特洼对毒孝籍髂势淫篦的彩嚼姆 1 2 3 1 。这种方法由于采用的复合材料体系未必具有代袭性，面且设计 参数逸释静合理性存在问题，也难以反映稀率丰的抗弹机理。 颟土沦文：额型撬弹芳纶黛台 嘻料磷n j 及其抗弹牲篷表锰评价疆究 7 1 2 5 芳纶抗弹复合材料应用技术 芳纶抗弹复合材辩餮莆已在装学防护装备个领域缮到了成功地 应用。在重型的复合装甲中，该类材料可用作单元结构的夹层材料， 也可与陶瓷构成“模块化”复合单元。鬟匿m 1 a 1 主战疆克装备的 “贫铀”复合装甲，日本90 式主战坦克装备的“东瀛式”复合装 甲等采用了该类材料。在轻型复合装甲中，由复合材料、抗弹陶瓷 及其它糖料橡残镌复合模块单元巴被广泛避黑予现役装甲辜辆的现 代化改造上，使得这些老烈号的战车可以对付20o0 年前后的威 胁。另外，该类祷辩还餍于翡美黧m 1 a 1 、m 2 a 2 、m 1 1 3 a 3 以及德 国“豹”等坦克装甲车辆的多功能防崩落内衬层( 2 4 j ( z 引，以及 作战人员的个体防护上。目前国内抗弹复合材料应用开发工作已开 始起步。 1 3 研究目的 蠹鬓内铃发曩可知，在芳纶抗弹复合榜科研究和瘟瑷哥发方委， 我国与发达国家差躐十分明显。“高效抗冲击复合材料应用研究”课 题正怒在这种情境下立项研究的。 本专题研究目的在于研制新型的芳纶抗弹复合材料，使其抗弹 性能达到课题合同规定莳战技指标s 。) 2 2 j m 2 k g ，1 同时表征该体系 的防护性能，蒡在此基础上开晨王程应嗣开发磷究工作。 1 4 研究内容与途径 根据本专题翡磺究餮豹，确定以下三个方鬣为主要磺究蠢客： l 。4 1 新型芳纶抗弹复合材料的研制 新鳖芳纶抗弹笈合材料酶研制工作主要包括的内容有：新型树 脂体系研究、先进预浸料剞备工艺研究、复合靶板制各工艺优 艺以 及复合材料结构设计因素对其抗弹性能的影响研究等。 硕士论文：新型抗弹芳纶复合材料研制及其抗弹性能表征评价研究8 通过对新型树脂体系的物理及流动研究，确定基体树脂体系； 采用先进预浸料制备工艺制备高性能的无纬布预浸料，以优化的制 备工艺制备复合材料靶板；在此基础上研究复合材料结构设计因素 对其抗弹性能的影响，建立新型芳纶抗弹复合材料抗弹性能与其结 构设计参数之间的经验关系，为抗弹复合材料应用研究和抗弹机理 研究提供有价值的参考，并指导抗弹复合材料制造技术的研究工作。 1 4 2 新型芳纶抗弹复合材料抗弹性能表征 根据五三所企业标准来表征评价a f r p 的抗弹性能。其主要内 容包括：a f r p 抗弹性能与其面密度之间的关系、a f r p 抗弹性能与 弹径之间的关系、法线角对a f r p 抗弹性能的影响等。 通过上述内容的研究，建立a f r p 工作曲线，以指导复合材料 应用研究和抗弹机理研究工作。 1 4 3 新型芳纶抗弹复合材料抗弹机理研究。 研究材料损伤状态、分析材料破坏吸能机制，研究复合材料设 计参数与其防护性能之间的关系，定性地探讨复合材料设计因素对 其的抗弹机理的影响，以期指导抗弹复合材料体系研究和抗弹性能 的提高。 1 5 预期结果 预期通过本专题的研究工作，能够突破抗弹复合材料关键制造 技术；研制的新型芳纶抗弹复合材料的抗弹性能有较大幅度的提高， 完成合同规定的战技指标；准确表征该复合材料体系抗弹性能，为 其复合装甲及相关防护技术中的应用研究奠定坚实的基础；对芳纶 复合材料抗弹机理的认识将进一步深化，对未来抗弹复合材料设计 和制造技术的提高提供依据和途径。 碳士论文蓊凝挠弹蒡纶复舍磅料舔翩及萁抗弹毪能表搓评徐疆巍 2 麓型抗弹复合材料树脂体系应用研究 2 1 新型抗弹复合材料基体树脂体系研究近况 基体树脂体系是复合材料充分发挥其抗弹性能和可设计性的重 要设计露素。在抗殍复合材料磺突哥发戆早熬，由予对其抗弹枧理 认识不深，往往直接“借用”了结构复合材料的研究设计思路来研 究开发该类材料。基体树疆 拳系多为各种典銎热雷性树耱体系，如 环氧树脂酚醛树脂、聚酯树脂( 包括饱和的和不饱和的) 等。相 应的树脂基体的改性工作也是以这些树脂体系为基础进行的。现在 看来，这一类复合材料对于穿甲弹防护效果较差，不适合作单独的 抗具有穿甲效应的材料，而十分适合具有“抗弹+ 结构”组合功能 要求魏结稳复合装擎泓 ( 2 7 。另外，该类型豹复合材料还有剖备王艺 成本高，生产效率低的缺点( 树脂体系固化工艺较为复杂，周期长) 。 八十年代，由于热羹幢复合材辩成为当时树黯萋结构复合材料 研究开发的热点，使得抗薛复合材料研究也转向了该领域。众所周 知，采用热望性复合材料制备工艺简单，污染少，效率高，而从事 抗撵复合材料的磷突人曼缦抉发现，其最大的优势还不止于此 该粪复合材料与传统的热固性抗弹复合材料相比具有“令人吃惊” 魏瑟高稳抗弹缝畿和抗接伤裴力 抗多发弹霞拐髓力) 珏。这个结暴 的出现使得抗弹复合材料的设计准则发生了“革命性”的改变。因 为穰据“结狗复合材辜率”设计准则以及对复合材辑抗弹视疆的理解， 是无法解黪“结构性能营遥较低的热塑性复合材料抗弹性能明显高 于结构性能突出的热固性复合材料”这一明藏的“矛盾：抗弹材料 懿戮突的实践挂动了复合材料抗弹机矮鲍霉认识孝提裹复合材 料的抗弹性能与其宏观强度特性并不存在直接的对应关系。当时著 濑士避吏：教燮藏弹鹫姹挺叁秘料辨黜及其撬弹性毖羲旺评价研嚣 i o 名的该类体系宵k e v l a r 增强的j 2 尼龙、聚蔼浠、蘩苯己浠、燕鹜幢 聚黎譬辫；携耸，荛孛k e v l a r j 2 怒竞辫黎鼓裁转逮剿威盛装蛊赣极女 防弹崖椅蒈制品。时至令诺，簸合材料抗样机理尚无最终定论，侄 上述发鬟毒凝夭遗嚣籍了礴宛太曩藜愚黪，势显葭撬雾羹合耪耪最 终独立于一般结构复合材料成为一种特种复合材料。 委霆在上连蕙惩簿教遮基礤主，繇究式爨遥箨了菱意夕泛露萋 黉爨嚣嚣蘸，爨究枢瘟爨合材料抗秘性毖，终于有所收获。八十年 代詹期至今，大簧专稍报道了苯孺新黧蕊蜜穗拜稳体祷脂俸系瓣靛 攀复合嚣辫蒜綦吴寒羹爨鳇蓦护淫麓，其黪护整载毙热鬟性复合材 料撼潞约6 0 以上，并比一般的热塑性复合材料提祷2 0 乎为庄右。其 孛琴蔫鹭熬燮淫辞棱露皂嚣苯己游交备辨交羧共爨戆 毫爨s b s 、s i s 等及獒改毂体系) 、乙燎丙烯共爨物( 乙丙檄胶) 、热塑性激氨酯弹 健体、热嚣涟丁鏊豫酸、蒙异丁蝾等。 按爨a s t m 鳃定义剡+ 热塑犍粥性煞是指“塞邋下可以复复拉 律刻两倍按原来瓣长庹，而外抽应力蠢除后靛迅逮恢复近似原寒之 长煮馥蕊蒸犍爨念鐾乞凑燕定爻写知，亥类撼簧吴凑嚣今显著熬交 学特征：断裂延伸睾8 2 0 0 ；回弹性好。即使斌最柔软的热想性 墅耩枣予寄在瑟爨蘸嚣鼹羧蘩，显不吴参霹簿注，毫不吴蚕主述蒋 牲。 表2 麓吴有麓蓬代嶷意义游燕羹经弹蔑体与琵释英鼙熬耋幢鎏 辩露美褴戆戆霹毙。 2 2e v a 弹性树脂体系的确定 零专题决定聚墨己蹲拳餮黢己臻鼗羹共爨饕彝拳 e v a 露老 新裂抗弹势纶复合材料的基体树脂体熬。e v a 树脂熔体粘魔低，流 萄2 涎好， 戚壅瀑淡诋，断襄惩传率蔫，低溢下爨买有莛好爵柔蓊缝。 硕士论文新型抗弹芳纶复合材料研制及冥j 亢弹性能表征评价研究 它可溶于溶剂汽油等溶剂中，且溶液浓度高，粘度小，十分适合对 芳纶纤维的浸渍。 、 表2热塑性弹性体- 9 热塑性塑料的性能对比 嵌段共聚物k r a t o n 系列 0 9 22 08 0 0 好较差 s b s ，s i s 等s o l p r e n e 系列0 9 5 3 41 3 0 0 聚烯烃和乙 烯共聚物 t p r 系列 s o m e l 系列 0 8 8 一一一一一一一一 一 3 3 02 0 0 好一般 三元乙丙橡t e l c a r 系列 1 1 88 0 0 较好 胶，e v a 等s u m i t a t e 系列 热望性聚氨r o y l a r 系列 1 1 02 03 0 0 好较差 酯e s t a n e 系列 1 2 75 37 0 0 软聚氯乙烯 1 2 82 12 1 0 差较差 j 臣爱聚z 垃q 。9 2】36 q q差较差 e v a 的性能取决于v a 含量和其分子量( 熔融指数删。当v a 含量一定时，m i 增大，软化点降低，成型性较好；反之，成型较差。 当m i 一定时，v a 含量越高，其弹性、柔软性、粘合性、溶解性提 高。本专题选用了日本住友化学的s u m i t a t ek c 1 0e v a 树脂， 其有关性能数据o ”见表3 。 顿毽哭：霸型撬蠢蒡纶蔓害掰料蠹拜期及翼抗弹蛙糍莰程谭稔疆冀 表3s u m i t a t e k c 1 0e v a 树脂有关性能数搬 为了援寓该誊l 骚体系懿工艺惶党其楚裁各无纬布预浸料鳃工 艺性) ，在其中混入了增粘剂和少量增塑剂。增粘剂的作_ i 莉是为了提 高预浸耩的整体慷；少羹增望荆是为了遘一步提高基体树稽体系的 柔韧性，并降低其熔体粘度。具体的树脂体系配方见表4 。 表4e v a 基体树脂体系配方 2 3e v a 柔弹性树脂体系热流交性能及热稳定性表征 2 3 1 热稳定性表繇 楗毖体系鳆热稳定性对予材耨鲢裁备工艺裁魔勰确定瑟未来童 用均有着重要影响。本研究采用了热鬟分析法( t g ) 和d s c 法研 兖表往了藜体祷瑟体系酶熬稳定注。 2 3 1 1 热羹分析( t g ) 以空气为气氛，升温速率为5 m i n ，得到的图谱见图1 。 海图1 可以看出，该树脂在2 0 0 。g 以下戆失重霉为0 ，2 0 0 以 后材料开始口日显失重。由此可见，为了保证树脂体系的稳定性，成 颥主论文：瓤辇撬弹蒡抡器害磅辫蕊麓及萁臻弹蛙巍券鬣弹鼢骚嚣 型温度应低予2 0 0 。g 。 ! ； f ； ： l + 。； 一事一p 赫j 一媾j 蜘一聊。j 齑j 到、 型le v a 撼膳体系t g 分拼濯谱 2 3 1 2d s c 分析 鼹2 是该e v a 瓣黪终d s c 匿谣。气氛荛空气，舞溢速率老5 m i n 。由图2 可见，7 0 附近有e v a 体系的熔化的吸热峰。该树 嚣在1 0 0 1 8 0 。c 之篾鹭没有瘸鬟魏蒸薰交诧，经质较为稳定。随着 温度的继续升高，体系中存在的极少量小分子物质开始有繇选出， 盏线有所上扬。毒 科在2 0 0 附邋开始其熟解进程，瀚谱中叹热峰对 应螅盛是热分簿适援的开始，这与t g 敏结果襁对应。 由以上结果可知，e v a 体系的成型温度区间可选择为1 0 0 1 8 0 颟士论文：新型抗弹蒡纶复台材料讲制及萁抗弹性麓表鬣评价研究 ，使用温度一般应低于7 0 。 岱露 1 3 a t i 自g t i l l l 1 4e j 钉黼：l 鲁耐 匿2e v a 树滕体系的d s c 露谱 2 1 3 2 热流变性表征 热望浚树毖体系鼗熔体糖庹较大，研究其流交缝对予裁品遗铡 备工艺有重要意义。尤其是对于纤维体积含爨高的抗弹复合材料来 说，流交瞧酶研究结果瑟为重簧。选择适宣的成壁温度和压力是研 究树脂体系热流变性的最终目的。 本课题研究了温度和压力为该树脂体系流动特性的影响。采用 国家标准g b 一3 6 8 2 。8 3 中熔融指数删来表征树脂的滚动特性( 3 翦。 2 3 2 1 温度的影响 本项譬磅突了该错麓体系在 o o o c ，1 4 0 4 c 及1 9 0 。c - f 的溶体流 动特性。袭5 是得到的有关数据。 颈土谵文：耩鍪抗辩芳纶蔓鸯罅耘醑麓及羹抗弹拣魏豪征谭徐疆究 表5温度对e v a 树脂体系流动特性的影响 蚕3 是肛温嶷( 乃酶关系蚕。壶辫可知，温痰对树虢体系懿 流动特性影响十分显著。提高成烈温度将十分有利于树脂流动和复 合材料的成型。 图3温度对e v a 楗脂体系流动特性的影响 2 3 2 2 压力的影响 本硬器蛩究了该树蘑体系在不阉载饕 压力j 下熔傅滚动特性。 表6 是得到的有关数据。 蚕4 是m 与舔力( 囝之阉酶关系霾。由嚣可每，疰力对熔体魏 流动性有一定纳影响，但熔体的流动性对压力的敏感程度较低。 壤论文：鞭型撬弹蒡纶美奄褪糕礤矧及翼撬弹按篷最歪t 率徐疆竞 表6压力对e v a 树脂体系流动特性的影响 图4m 与压力g 的关系 2 ，4 姆艚体系残型工艺区阉数确定 “九五”前期，本项目曾研制开发了高强度玻璃纤维增强的热塑 性褥稽复合材耨。辑究逯簇中发凌，为了获得舆有满意淫貔酶该类 复合材料制晶，热塑性树脂体系的熔融指数m i 应在1 0 9 1 0 m i n ( 载 荷为2 1 6 k g ，口模直径2 0 9 5 m m ) 以上，此时复合材料制品可在2 o 3 0 m p a 的压力下成烈。 由上述结果可知，该树脂体系可在1 2 0 1 8 0 的温度区间内以 2 0 3 o m p a 爨压力庭墼，毙霹树鼗俸系性质较为稳定。 2 5 树脂体系胶液的配制 ，t # 0 l ，t t t # _ 3 一c暮。一甚ij 碟论文灏婺i 抗弹芳纶复合穗鞋疆制及萁拭弹牲整表征评价轿芄 17 为了制各无纬布预浚料，嚣将树脂制成溶液。该树脂体系的各 组分在常漱下均能够溶于1 2 0 # 溶剂汽油中。本研究采用了固体含量 为1 5 黪树月量体系溶液来制备预浸料。该胶液粘发低，适合对芳纶 纤维的浸溃。 3 先进预浸料制备工艺研究 3 1 无纬书预浸科制备工艺篱介 抗弹复合材料中纤维的结构形式对其抗弹性能有显著的影响。 “八五”期间，_ 赢三所的研究结果表明，各种织构的织物复合材料 抗弹性能蛉优劣次痔为：蓝纹( b a s k e t ) 缎纹 辩纹 平纹。产生 这种现象可能是由于不同织构的织物中单位长度内纤维的弯曲程度 不麓荸| 起懿。在绥海 线纬囊) 上单位长受土纤维弯篷次数蘧多， 相应复合材料的抗弹性能就越差。基于这种认识，“八五”期间研制 成功了采髑无纬布预浸料的抗弹复合材稃。冗纬布预谩科 以下简 称无纬布) 中纤维相互平行排列。无明显的交错和弯蛰现象。磺究 结果表明，其抗弹性能明显优于上述各类织物的复合材料。这一结 论与霆外文靛的报道穰一致。 另外，九十年代以来国外研究c 3 3 认为，无纬布预浸料的某些参 数对箕复合糖精秘抗弹僚麓具有显著的影嗡，并认为，无纬布越薄， 相应复合材料的抗弹性能就越好。荷兰的d s m 公司采用超高分子量 聚乙烯纤维开发出先迸无纬布预浸车手u d 系列产品。图5 是u d 预浸 料鲍产品示意图( 1 舢，其特点在予单层驰预浸料仅是妇一屡紧密乎髻亍 排列的单丝与树脂基体复合而成这是目前国际上采用该类纡维 趔备稳厚度最薄弱无纬带。 顿主谂文：新型抗弹芳纶羹奄耪耩爵鞠及其抗弹串耄莪表薤译价繇竞 罄5u d 预浸释翁构示意瞪 另外，美翻的a l l i e ds i g n a l 公司迂采用芳纶纤维研制开发了具 有类似结构的g o l d e ns h i e l d 及g o l d e nf l e x 预浸料( 3 4 ) ，其示意图见 懑6 ，囊关技术参数见表7 。国内寅关预浸料厚度参数对其复合材料 抗弹性能的影响的研究尚未见报道。因此，该内容是本研究的重点 之一。 图6g o l d f l e x 产品示意图 3 2 无纬布预浸料有关特征参数 枣予本研究中多采用板挂或_ 跨糖z 彝足寸远小于x 一￥夏内 尺寸) ，如纤维织物，无纬布以及复合靶板等，为了处理问题方便， 硕士论文：新型抗弹芳纶夏合材料研制及其抗弹性能襄征评价研冤 特定义两个重要参数：当量厚度和预浸料纤维 - 3 量层数。 表7g o l d f l e x 预浸料有关技术数据 1 矗蚀2 !吐3 n z 王z 3 2 1 当量厚度( 0 当量厚度( 口是指复合材料中某一组份( 如纤维、织物、 预浸 料等) 在其板材中实际相当的厚度。例如，采用密度为p ，( 单位：g c m 。3 ) 的纤维织造而成的织物的面密度为p 单位：k g m 2 ) ，则该织物的当量 厚度“单位：m m ) 如( 1 ) 式： 舻p p ，( 1 ) “当量厚度”的概念适于描述x y 面内存在空隙或缺陷的两 维物体经面内完全致密化后在z 方向( 即厚度方向) 上占据空间尺 寸的情况。例如，对于厚度为f 、层数为的完全致密的复合材料 板，如果已知其中纤维体积含量为v r 则复合材料中纤维的当量厚度 如( 2 ) 式： t o t = t v e( 2 ) 其中每层单向复合材料中纤维的当量厚度如( 3 ) 式： t e e u - - - - t j n( 3 ) o 该概念对于设计一定厚度、一定纤维体积含量的复合材料板材 来说较为简捷。另外，对于无纬布预浸料这种致密度低、存在缺陷 的中间制品来说，便于最终复合材料板材的设计和制造。 3 2 _ 2 预浸料纤维当量层数巩 预浸料纤维 - 3 量层数是指织物及无纬布预浸料中所含纤维的 当量厚度t o , 与预浸料单元体中纤维的 - 3 量厚度的比值见( 4 ) 式： 硕士论文：新型抗弹芳纶复合对料研制及其抗弹性能表征评价研究 2 0 n t c 嘻l e l 邻 预浸料单元体是指由紧密平行排列的一层单丝和树脂构成的厚 度均匀完全致密的单向复合材料。其模型见图7 。 四j j q 表示单丝 图7 预浸料单元体示意图 ii 表示基体 预浸料单元体有如下特性： ( 1 ) 纤维的当量厚度为：t e f u = 刀口4 0 7 9 口，( 5 ) 其中驴，为纤维单丝的平均直径。 ( 2 ) 纤维含量体积含量的最大值为：。产7 8 5 ( 3 ) 当量厚度为的单元体纤维体积含量为 = o 危。1 0 0 ( 6 ) 这样预浸料纤维当量层数( 简称当量层数) 力。可以表示为 n 产t 鄙趣响；= 印孔( t 彩面a q 、 对于t w a r o nc t 一2 0 4 0 纤维，q b f = 1 2 0 u m ，n p 0 1 0 7 t f n 。 日。反映的是预浸料中纤维在厚度方向上单丝的层数，它反映了预 浸料的制造水平。d s m 公司的u d 产品刀。1 0 ，这表明其无纬布 中纤维已呈单丝紧密平行状态；a l l i e ds i g n a l 的g o l d e ns h i e l d 及 g o l d e nf l e x 的4 8 。五三所“八五”达到水平为口。1 6 3 2 。 通常情况下是决定纤维展开2 1 2 艺的一个关键参数。较小时，应 尽可能选取整数，因为这样才可能保证单丝在预浸料中的堆砌状态。 本课题拟研制r i p 1 6 的无纬布预浸料。 3 3 先进预浸料制备工艺研究 目前国际上通用的无纬布预浸料制造方法有两种：间歇法和连 续法。间歇法多采用辊筒缠绕法。该方法实际是将浸胶后的纤维束 硕士 沦文：新型赫撵蒡纶复鸯跨睡礤藩l 驶翼菰弹性黯豪重浮给翳竞 2 平行缠绕在一个辊筒上，纵向切开展成一片单向的无纬布预浸料。 连续法则是在牵；l 力的作用下将多束连续纤维从一个纱架弓 盘，经 过鍪经、展平、浸胶、收卷薅戍。连续法适舍生产大批量的预浸料， 具有产品质量稳定，性能高、生产效率高的特点。间歇法( 辊筒缠 绕法) 使援灵活，投资少，适合科爨及小披量生产，键要生产毒质 澄的无纬布难度较大。限于实验条件，本项目采用辊筒缠绕法制备 霓纬布预浸搴辜。 “八五”时期由于未能突破纱束展开关建技术，故采用t w a r o n c t - 2 0 0 0 - 1 6 8 0 纤维仅能生产舻1 6 的无纬布( n p 5 0 0 ) 时， 令万踟，则r w ( # j r 严而纱柬初始宽度w i 由下武计算i i 7 出： 礴咚d o = 2 略耍尸( 1 3 ) 。 3 3 1 2 2 纱束有效展开距离的计算 缀设纱寐中懿肇丝在震秀造程孛不发生糖互交错，并且一旦麓 开后其位置保持相对固定。 弛西n 所示，将一束初始宽度为彤的纱束展开到宽度为形时所 用的距离为厶，是最外侧的单丝经过的展开距离藤的长度( 一般 来说店咒) ，则有 叠( l 2 , , o z s c w - w y ，舷f 1 4 ) 如果纱束中心的处单丝的应变为s ，最外侧单照的应变为r 一则有 硕士诧文：教型挠弹芳纶鬟鸯穗瓣醑黝及巽藐弹蛙轻表征洋聃疆竞 2 如果纱束中心的处单丝的应变为r ，最外侧单缝的应变为s 。，则有 4f = f 。f , - - ( i - l ) l = i l 一，= ( 1 + 0 2 5 ( ( w - w ) l f 船一l ( 1 5 ) 解上式，且因为丑s 捌，4 夕反商 l = ( w - w ) 2 i 1 ，( 2 ，) j i t 1 6 、 转剐镌，将一震出n 壤单丝组成秘纱完全展哥残出一层单丝紧 密平行排列的状态时肛峙n 函一又。严o ， e0 = 8 ( 断裂延伸 率) 羽有 l t = l 2 ( n o f 它i n 豇) h 2 毒1 1 t 2 8 ) 严 1 7 、 蚕i 0 爹柬展开示意图 对于本研究采用的t w a r o nc t 2 0 4 0 型芳纶纤维，其n = 1 0 0 0 ， f = o ，0 3 3 ，驴t = 1 2 | li l l 。则l ，2 2 5 2 m m 。这表明，在上述展开条件 下，奖展开该纱衷的最小展开距离为2 2 。5 2 m m 。此时，轰外侧的单 丝已处于临界拉断状态。 上述讨论中酶有效展开距离搓酶是纱寒在辊子主实嚣受翻晨哥 作用的距离。这个距离在实际应用时一般等于在多个辊子上的展开 硕士论文新型抗弹芳蛇萋臼丰才料研制及其抗弹巾点隧襄正t 单价研究 2 5 距离之和，霹在两个辊子之闻昀蹬离由于芳来受到展开力的1 # j 丰j ， 不能计算在l 之内。 图1 1 是纱柬展开的示意图。由图中可以看出， l 壶当跫在多个辊子上震哥鞭离之孝，馨扛三知 一鹄 ( 。磊 扯“ l， 。j 1 |獭娃 、l l x | l 图1 1 有效展开距离示意蚕 另爿、，随着纱寒酶晨开，岁| 、绷的单终壹子传长翡长度大予中心 附近的单丝，因而承受了更大的拉伸力的作用。该拉伸力廷辊子轴 澎稳分力成洚砂柬貔展哥静又一隈力。为了藏小这种效应酶澎嘀， 应适当增大厶 在实际应精中，as 职值对纱束展开的稳定性及对纤维的损伤 程度影响很大。在上述极端条 牛下，纱寒鹄展开过程圾不稳定，外 侧纤维已达刘了断裂极限。此时，如果外铡纤维发生断裂，载荷会 在其余终维土重裁分毒，苁两导致整裹纤维鼗完全鬣裂。男羚，盘 s 取使过大也会增大纤维的损伤。但4s 过小则会使五迅速增大， 装置设计裁造存在一定酶问题。一觳说采，在so - - 1 5 i 1 0 。 d 4 0 m m ，8 o 2 0 m m ，9 0 。o 1 5 0 。时，能 够有效地将纱束展开。 3 4 先进无纬布预浸料的制备 根据上述研究结果制备了纱束展开器，其主要技术参数为： l = 6 0 m m ，口严8 m m 8 = 1 2 0 9 。 本研究中采用的芳纶纤维为a k z o n o b e l 公司的t w a r o nc t 2 0 4 0 1 6 8 0 1 0 0 0 型纤维，其有关技术参数见表8 。 表8本研究采用的芳纶纤维的有关技术参数 采用该展开器成功地制备了无纬布预浸料，其规格见表9 。 由表9 可以看出，本研究制备的无纬布的关键技术参数，如当 量厚度和纤维体积含量已能达到a l l i e ds i g n a l 公司产品g o l d f l e x 产 品的水平，但限于实验室条件，在预浸科均匀性和连续化生产工艺 硕士论文+ 新型抗弹秀纶复舍呵科研制及嚣抗弹性能菽征评价研究 上与国纷 乃存在不小的麓距。 表9本研