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防弹材料冲击破坏机理及其纤维的衰减规律

张华鹏  
【摘要】: 目前,以高强高模高性能纤维为主要构成材料的个体防弹材料的防弹性能和防弹机理研究是个体防护领域中的研究热点问题之一,个体防弹产品的研究和设计也正在由宏观向微观,由经验向理性,由粗糙向精致方向发展。 本文首先以充分、合理和经济利用现有材料、进一步提高个体防弹产品防弹能力为主要目的,首次深入系统地对不同结构形式(织物叠层、正交铺层单向复合材料叠层和涂层织物层压板)、不同材料成分(对位芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、高强玻璃纤维)及其不同组合构成的个体防弹靶板,受铅心弹和模拟碎片冲击而引起的破坏进行了微观破坏形貌分析,分析表明无论复合材料还是织物叠层靶板,受破片冲击后在靶板前部可以观察到剪切破坏,同时还可观察到不同程度的压缩、弯曲和扭转及其偶合破坏,受子弹冲击引起的纤维破坏中,剪切变得不太明显,而压缩、扭转等破坏变得更加明显。对于叠层织物受子弹弹道冲击引起的纤维破坏而言,纤维的弯曲、扭转、压缩破坏最为明显。纤维在靶板中的主要破坏形式为拉伸断裂。超高分子量聚乙烯纤维在弹体冲击破坏过程中存在不同程度的纤维熔融现象。在形貌分析的基础上,结合弹击实验,发现混杂组合可以有效提高靶板防弹能力,组合的顺序为脆性、相对低模量和低断裂伸长的材料放置在靶板前部,韧性、相对高模量和高断裂伸长的材料在靶板后部。 由于在靶板中的高性能纤维的主要破坏模式为拉伸断裂,而弹击过程又是一个高应变率靶板材料变形过程,本文进一步采用Hopkinson拉杆技术,对几种对位芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维的高应变率拉伸力学性能进行了测试研究。研究发现除碳纤维外,对位芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维的拉伸力学性能均有明显的应变率效应,其中超高分子量聚乙烯纤维的最为明显。动态条件下与准静态相比,具有应变率效应的纤维的模量、断裂伸长和断裂强度有所变化。本文还在假定纤维单丝强度服从不同形式Weibull分布的基础上,分析得到了纤维束的应力应变本构关系,并为有限元建模计算确定了所需的材料参数。 为了得到更为理性、普遍的对弹体侵彻个体防弹靶板全过程的认识,本文在确定了靶板主要破坏模式的基础上,充分考虑到防弹复合材料的高纤维含量特点,对对位芳香族聚酰胺纤维Twaron2000织物层压复合材料受模拟破片侵彻过 程进行了动态显式有限元分析,得到了侵彻过程弹体上的速度和加速度随时间变 化历程,得到靶板层数与防弹能力(V50)之间的关系和弹体入射速度和剩余速 度的关系,并得到了侵彻过程靶板的破坏演化过程。对不同材料组合靶板的计算 结果证实了形貌分析和弹击实验中关于不同材料组合次序的判断,并提出应该在 复合材料靶板厚度方向分三部分来组合的观点,即靶板前部采用抗压缩材料,中 部采用高强材料,后部采用高断裂伸长材料,可以明显提高靶板的弹道极限值。 个体防弹材料在加工、使用以及弹击过程中不可避免受到温度的作用,而 超高分子量聚乙烯纤维的耐热性较差,本文针对这一问题对超高分子量聚乙烯纤 维在不同热处理条件下的纤维强伸性能衰减和结构变化进行了系统研究。强伸性 能测试结果表明经过70oC以上松弛热处理将导致超高分子量聚乙烯纤维的强 度、模量、断裂伸长和断裂功的下降,在高于IO0oC时热处理时纤维力学指标下 降十分明显。结构测试表明经过热处理后纤维的热处理后晶区取向基本没有变 化,而声速取向稍有下降。纤维的结晶度随热处理而有所增加,纤维的横向晶粒 尺寸稍有下降。结晶致密程度和有序程度随热处理而下降。DSC测试表明纤维 的主熔融温度随热处理而下降,熔融峰加宽。斜方晶向六方晶的转变温度随着热 处理也有所下降。热处理后的六方晶熔融峰变得很不明显或消失。DMA测试表 明来源于无定形区的p松弛和来源于晶区表明的p*松弛强度随热处理而变弱,但 在高温长时间热处理时仔*松弛强度明显增加,预示着链的氧化和极性基团的出 现。热处理后仪松弛向低温移动,强度也有所加强,预示着结晶完善程度的下降。 防弹材料在使用过程中不可避免地受到阳光照射作用,而对位芳香族聚酞胺 纤维耐日光照射性较差,超高分子量聚乙烯纤维的耐日晒性能也往往不受到人们 的重视。本文对T、varon200o对位芳香族聚酸胺纤维和SK65超高分子量聚乙烯 纤维的强伸性能和结构随模拟日晒时间的变化情况进行了研究。强伸测试结果表 明1切aron2000和SK65纤维拉伸强度、断裂伸长率和断裂功都随照射的时间的 增加而下降,初始模量变化不明显,在长时间照射下稍有下降。超高分子量聚乙 烯纤维的抗紫外照射能力远比对位芳香族聚酞胺的好,但实验表明其力学性能随 紫外照射时间而衰减问题也不容忽视。经过模拟紫外照射后,两种纤维的表面变 得粗糙,TwaronZO00纤维的断裂形态由原纤化断裂变为脆性断裂,而超高分子 量聚乙烯纤维的断裂形态则从塑性向脆性转化。结构测试表明1初arn2000经过紫 外照射后纤维的晶区取向基本不变,双折射和声速取向有所下降。纤维的结晶指 数稍有下降


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