CN101776425A - 带有pbo纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法，涉及带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法。本发明为了解决现有导弹包装壳体存在抗弹性能差的问题。本发明的导弹包装壳体由外向内依次由外表层、防护层、保温层和内装饰层四层粘接构成，该PBO纤维防护层制备方法：一、按设计制作相应的玻璃钢模具并清理干净，并涂上脱模剂；二、在预先处理好的玻璃钢模具的阳模上逐层铺放聚合物基PBO纤维复合材矩形布；三、闭合模具并抽真空；四、向模腔内注射环氧树脂胶液；五、固化预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层；六、按设计要求进行切割和修边。本发明尤其适用于导弹包装箱或导弹运输车舱体的制备技术。

Description

带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法
技术领域
本发明涉及导弹包装壳体及该壳体中聚合物基PBO(聚对苯撑苯并双噁唑)纤维复合材料防护层的制备方法。
背景技术
早期的武器抗弹防护材料是由金属或玻璃钢及其复合结构构成的，针对导弹包装箱或导弹运输车舱体的制备技术，近些年生产的导弹包装箱或导弹运输车舱体，如“DF”系列导弹运输车舱体，即采用玻璃钢-钢骨架填充泡沫材料-玻璃钢的复合结构，这种舱体结构相比早期的钢夹层结构显著地减轻了舱体重量，有效地改善了舱体的可贮存性，同时增强了导弹运输车的机动性和灵活性，但是其抗弹性能差。
本发明的目的是为了解决现有导弹包装壳体存在抗弹性能差的问题，进而提供了一种带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法。
本发明的技术方案是：本发明的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，它由外向内依次由外表层、防护层、保温层和内装饰层四层粘接构成，所述防护层由聚合物基PBO纤维复合材料制成。
聚合物基PBO纤维复合材料防护层制备方法的步骤如下：
步骤一、按照导弹包装壳体的几何形状设计制作相应的玻璃钢模具，将玻璃钢模具的工作表面清理干净，并涂上脱模剂；
步骤二、制备若干按设计尺寸裁剪的聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，在预先处理好的玻璃钢模具的阳模上逐层铺放聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，每层中任意两块聚合物基PBO纤维复合材料矩形布之间搭接，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的层与层之间铺放平整密实，相邻两层聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的搭接处错开100mm～200mm，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的铺放层数为25层～43层，铺设的总厚度为3.5mm～6.0mm，制成聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体；
步骤三、将玻璃钢模具的阴、阳模闭合密封，抽真空将模腔内的空气排出，排空压力为500Pa～600Pa，排空时间为20～40分钟；
步骤四、向模腔内注射环氧树脂胶液，保持模腔内压力为100Pa～200Pa，环氧树脂胶液在负压作用下被吸入到模腔中的聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内，聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体上每平方米均布设置2～3个入胶口，保持环氧树脂胶液吸入时间为5～10分钟，制得预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，环氧树脂胶液的体积为聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体体积的20％～30％；
步骤五、固化预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，将模腔加热升温至50℃～60℃，固化时保持模腔内压力为100Pa～200Pa，保温时间为150～300分钟，之后停止加热，并自然降温至室温；
步骤六、固化结束后脱去玻璃钢模具，得到厚度为4.2mm～7.5mm的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的毛坯料，按设计要求进行切割和修边，即获得聚合物基PBO纤维复合材料防护层。
本发明具有以下有益效果：本发明中的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体的比吸能大、密度小，增强了导弹包装箱及导弹运输车的抗弹性能，该导弹包装壳体的抗弹效果参见弹击试验(图3-图5)，试验结果符合标准Q/CC206-95的规定。
本发明中聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备工艺中，在密封的模腔内抽真空，保持模腔内压力为100Pa～200Pa，聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体上每平方米均布设置2～3个入胶口，使得环氧树脂胶液在负压作用下被吸入到模腔中的聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内，此种工艺方法使得聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内充分浸润树脂胶液，固化后的防护层结构致密，力学性能强，通过带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体的弹击试验可知，可防弹速430m/s～450m/s，此外，该工艺方法比较由纤维织物和热塑性聚合物胶膜间隔铺放热压复合的生产工艺节省人力，可提高生产效率，不易对施工人员造成伤害。
附图说明
图1是本发明的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体的横截面剖面图；图2是本发明中PBO纤维防护层的真空注塑成型工艺的示意图；图3是带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体试验件照片；图4是弹击试验后试验件正面形貌照片；图5是弹击试验后试验件背面形貌照片。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，它由外向内依次由外表层1、防护层2、保温层3和内装饰层4四层粘接构成，所述防护层2由聚合物基PBO纤维复合材料制成，聚合物基PBO纤维复合材料防护层为导弹包装箱或导弹运输车舱体提供了抗弹碎片的防护功能，能够满足武器装备抗弹碎片的防护要求。研究表明，这种“三明治”夹层结构抗弹效果最好，这种舱体结构与早期的钢夹层结构相比，显著地减轻了舱体重量，有效地改善了导弹运输车舱体的可贮存性、机动性和灵活性，同时具备了抗弹碎片的防护功能，从而提高部队机动生存能力。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，所述防护层2的厚度为4.2mm～7.5mm。本实施方式的其它组成与连接关系同具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，所述外表层1由玻璃钢或铝合金制成，玻璃钢或铝合金外表层赋予武器装置整体机械强度和耐自然环境性能，本实施方式的其它组成与连接关系同具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，所述内装饰层4由玻璃钢或铝合金制成，玻璃钢或铝合金内装饰层为导弹运输车的舱体内室提供装饰功能，本实施方式的其它组成与连接关系同具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，所述保温层3由网状钢骨架3-1内填充聚氨酯泡沫制成，所述钢骨架3-1采用方钢按照横向、纵向间隔均为300mm～500mm排列并固接。钢骨架3-1赋予舱体结构刚度和形状稳定性，聚氨酯泡沫赋予舱体保温性，本实施方式的其它组成与连接关系同具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，所述网状钢骨架3-1上的每根方钢横截面尺寸为50mm×50mm或80mm×80mm。本实施方式的其它组成与连接关系同具体实施方式一至五任一相同。
具体实施方式七：结合图2说明聚合物基PBO纤维复合材料防护层制备方法的步骤如下：
步骤一、按照导弹包装壳体的几何形状设计制作相应的玻璃钢模具5，将玻璃钢模具5的工作表面清理干净，并涂上脱模剂；
步骤二、制备若干按设计尺寸裁剪的聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，在预先处理好的玻璃钢模具5的阳模上逐层铺放聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，每层中任意两块聚合物基PBO纤维复合材料矩形布之间搭接10mm～20mm，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的层与层之间铺放平整密实，相邻两层聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的搭接处错开100mm～200mm，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的铺放层数为25层～43层，铺设的总厚度为3.5mm～6.0mm，制成聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体；
步骤三、将玻璃钢模具5的阴、阳模闭合密封，为了利于树脂胶液的吸入和确保树脂胶液充分填充纤维方格布的空隙并浸润，抽真空将模腔内的空气排出，产品表面每平方米设置1～2个排气口，排空压力为500Pa～600Pa，排空时间为20～40分钟；
步骤四、向模腔内注射环氧树脂胶液，保持模腔内压力为100Pa～200Pa，环氧树脂胶液在负压作用下被吸入到模腔中的聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内，聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体上每平方米均布设置2～3个入胶口，保持环氧树脂胶液吸入时间为5～10分钟，制得预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，环氧树脂胶液的体积为聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体体积的20％～30％，玻璃钢模具5的一端与树脂胶液收集器7连通，树脂胶液收集器7用于收集溢出的树脂胶液，再次利用，此时，外界大气压通过柔性的阴模压迫树脂胶液浸润纤维织物并使之密实；
步骤五、固化预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，将模腔加热升温至50℃～60℃，固化时保持模腔内压力为100Pa～200Pa，保温时间为150～300分钟，之后停止加热，并自然降温至室温；
步骤六、固化结束后脱去玻璃钢模具5，得到厚度为4.2mm～7.5mm的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的毛坯料，按设计要求进行切割和修边，即获得聚合物基PBO纤维复合材料防护层。
具体实施方式八：结合图2说明聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法中步骤四中树脂胶液的配制方法如下：
步骤A：按二胺基二苯甲烷∶环氧丙烷丁基醚＝3∶1的摩尔比称取二胺基二苯甲烷和环氧丙烷丁基醚，并将二者混合，得到混合物；
步骤B：将经步骤A得到的混合物在85℃～110℃条件下加热并搅拌，待二胺基二苯甲烷完全溶解后，保持恒温30～60分钟，然后取出并晾凉至50℃；
步骤C：依次将环氧树脂TDE-85和环氧树脂CYD-128E加入到经步骤B处理的混合物中，并搅拌均匀制成环氧树脂胶液，所述二胺基二苯甲烷、环氧丙烷丁基醚、环氧树脂TDE-85和环氧树脂CYD-128E的摩尔比为3∶1∶1∶1。
具体实施方式九：结合图2说明聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，步骤三中抽真空采用真空槽，其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：结合图2说明聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，步骤三中抽真空采用真空袋，其它步骤与具体实施方式七相同。
本发明的工作原理是：在弹击试验中，弹丸及其碎片对抗弹材料靶板的侵彻是一个非常复杂的过程，主要存在三种破坏形式，即横向剪切破坏、拉伸破坏和分层破坏。对弹体及其碎片的防护主要是通过纤维复合材料的拉伸断裂和应变的传递来吸收弹体及其碎片的动能，将入侵体的动能转变为材料的应变能，从而吸收和消耗其能量，达到阻止弹丸及其碎片前进的目的。能量吸收越大，抗弹性能越好。PBO(聚对苯撑苯并双噁唑纤维Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)纤维的拉伸强度和拉伸模量均高于目前抗弹防护普遍所使用的Kevlar49(聚对苯二甲酰对苯二胺)纤维和Dynnema(超高分子量高强聚乙烯纤维)纤维，PBO纤维具有更高的断裂应变能和能量传递速率，它的比吸能(即结构单位重量所吸收的能量≥30J/g·m-2)也是所有纤维材料中最大的，即聚合物基PBO纤维复合材料的抗弹碎片防护性能是目前所有聚合物基复合材料中性能最好的(PBO纤维与其他纤维性能对比参见表一)，因此，采用高性能及轻质的聚合物基PBO纤维复合材料防护层是导弹包装箱或导弹运输车舱体抗弹碎片防护的必要措施之一。
本发明的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体的弹击试验如下：采用12.7mm口径五四式弹道枪，4.5g钢球模拟弹，10米距离射击表明，对尺寸为1300mm×300mm×4mm的带有聚合物基PBO纤维复合材料防护层的导弹包装壳体试验件，其中聚合物基PBO纤维复合材料防护层的结构密度小于2g/cm2，可防弹速430m/s～450m/s，弹击后靶板外观符合要求，鼓包小。
表一：PBO纤维与其他纤维性能对比
纤维   密度(kg/m3)   拉伸强度(Gpa)   拉伸模量(Gpa)   耐热温度(℃)
 PBO纤维   1560   5.8   280.0   650
 Kevlar-49   1450   3.6   124.0   550
 合金钢(D406A)   7800   1.8   200.0
 合金铝(LD10)   2800   0.4   70
 碳纤维(T-700)   1760   3.6   230.0
纤维   密度(kg/m3)   拉伸强度(Gpa)   拉伸模量(Gpa)   耐热温度(℃)
 PBI纤维   1400   0.4   5.6   550
 Dyneema纤维   970   3.6   107   100
 Spectra纤维   970   3.5   124   100

Claims (10)

1.一种带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，它由外向内依次由外表层(1)、防护层(2)、保温层(3)和内装饰层(4)四层粘接构成，其特征在于：所述防护层(2)由聚合物基PBO纤维复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，其特征在于：所述防护层(2)的厚度为4.2mm～7.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，其特征在于：所述外表层(1)由玻璃钢或铝合金制成。
4.根据权利要求3所述的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，其特征在于：所述内装饰层(4)由玻璃钢或铝合金制成。
5.根据权利要求1、2或4所述的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，其特征在于：所述保温层(3)由网状钢骨架(3-1)内填充聚氨酯泡沫制成。
6.根据权利要求5所述的带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体，其特征在于：所述网状钢骨架(3-1)上的每根方钢横截面尺寸为50mm×50mm或80mm×80mm。
7.权利要求1所述的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
步骤一、按照导弹包装壳体的几何形状设计制作相应的玻璃钢模具(5)，将玻璃钢模具(5)的工作表面清理干净，并涂上脱模剂；
步骤二、制备若干按设计尺寸裁剪的聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，在预先处理好的玻璃钢模具(5)的阳模上逐层铺放聚合物基PBO纤维复合材料矩形布，每层中任意两块聚合物基PBO纤维复合材料矩形布之间搭接，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的层与层之间铺放平整密实，相邻两层聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的搭接处错开100mm～200mm，聚合物基PBO纤维复合材料矩形布的铺放层数为25层～43层，铺设的总厚度为3.5mm～6.0mm，制成聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体；
步骤三、将玻璃钢模具(5)的阴、阳模闭合密封，抽真空将模腔内的空气排出，排空压力为500Pa～600Pa，排空时间为20～40分钟；
步骤四、向模腔内注射环氧树脂胶液，保持模腔内压力为100Pa～200Pa，环氧树脂胶液在负压作用下被吸入到模腔中的聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内，聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体上每平方米均布设置2～3个入胶口，保持环氧树脂胶液吸入时间为5～10分钟，制得预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，环氧树脂胶液的体积为聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体体积的20％～30％；
步骤五、固化预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层，将模腔加热升温至50℃～60℃，固化时保持模腔内压力为100Pa～200Pa，保温时间为150～300分钟，之后停止加热，并自然降温至室温；
步骤六、固化结束后脱去玻璃钢模具(5)，得到厚度为4.2mm～7.5mm的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的毛坯料，按设计要求进行切割和修边，即获得聚合物基PBO纤维复合材料防护层。
8.根据权利要求7所述的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，其特征在于步骤四所述环氧树脂胶液的配制方法如下：
步骤A：按二胺基二苯甲烷∶环氧丙烷丁基醚＝3∶1的摩尔比称取二胺基二苯甲烷和环氧丙烷丁基醚，并将二者混合，得到混合物；
步骤B：将经步骤A得到的混合物在85℃～110℃条件下加热并搅拌，待二胺基二苯甲烷完全溶解后，保持恒温30～60分钟，然后取出并晾凉至50℃；
步骤C：依次将环氧树脂TDE-85和环氧树脂CYD-128E加入到经步骤B处理的混合物中，并搅拌均匀制成环氧树脂胶液，所述二胺基二苯甲烷、环氧丙烷丁基醚、环氧树脂TDE-85和环氧树脂CYD-128E的摩尔比为3∶1∶1∶1。
9.根据权利要求7所述的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，其特征在于：步骤三中抽真空采用真空槽。
10.根据权利要求7所述的聚合物基PBO纤维复合材料防护层的制备方法，其特征在于：步骤三中抽真空采用真空袋。
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