CN101792026A

CN101792026A - 玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法

Info

Publication number: CN101792026A
Application number: CN 201010148729
Authority: CN
Inventors: 哈跃; 管公顺; 庞宝君
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-08-04

Abstract

玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法，它涉及撞击防护结构材料的制备方法。本发明解决了现有N/K填充Whipple防护结构中所用材料Kevlar和Nextel难于买到且成本高昂，及论文“玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析”中所涉及的材料抗撞击损伤防护性能不好的问题。方法：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中即得。本发明玄武岩纤维布易于获得且成本低，仅为35元/千克，制备成玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料后的抗撞击损伤防护效果好，而且与N/K填充Whipple防护结构相比性能相当或略优。

Description

玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法

技术领域

本发明涉及撞击防护结构材料的制备方法。

背景技术

目前在航天器空间碎片超高速撞击防护工程上广泛采用的防护结构形式，是在航天器主体舱壁结构外侧设置防护屏障，称为防护屏或防护板。空间碎片撞击航天器时，首先与防护屏相撞，空间碎片被破碎成尺寸更小的二次碎片，其物理状态也发生改变，如产生熔化或汽化等，即形成了“二次碎片云”。二次碎片云最终撞击到航天器主体舱壁结构时，已转化为分散在较大撞击面积上的多点撞击，减轻了空间碎片对航天器主体舱壁结构的损伤。这种防护概念是美国天体物理学家Whipple于1947年提出来的。在舱壁结构外部，间隔一定距离设置一层铝合金板防护屏的防护结构，是航天器空间碎片防护结构的基本构型，称为Whipple防护结构。

填充Whipple防护结构（StuffedWhippleShielding），简称为填充防护结构，是在Whipple防护结构中的铝合金防护屏（前板）和舱壁（后板）之间加入其他填充材料后形成的一种高性能防护结构。在国际空间站(ISS)美国舱段上使用的填充防护结构中的填充材料为Nextel陶瓷纤维布和Kevlar高强纤维布（简称为N/K填充Whipple防护结构）。Nextel陶瓷纤维布的一个主要作用是能比相同面密度的铝合金板对撞击弹丸产生更高的冲击压力从而对弹丸造成更充分的破碎。Kevlar高强纤维布布置在Nextel陶瓷纤维布后面，其强度重量比比铝合金高出很多，Kevlar高强纤维布更有效地使弹丸碎片减速并且使碎片云的膨胀速度在撞到防护结构后板之前降下来。

Kevlar和Nextel纤维都是高强度、高模量纤维，是空间碎片先进防护结构的重要组成材料；但是Nextel陶瓷纤维布的价格昂贵(约为5580元/千克)，国内目前尚不能生产此类产品，在国际市场也难于买到。Kevlar高强纤维布国内有相应类似产品生产，但也价格高昂(约为350元/千克)。

哈尔滨工业大学学报第39卷第5期（2007年5月出版）779-782刊载了作者为哈跃，庞宝君，管公顺和张伟的题目为“玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析”的论文，该论文探讨了将玄武岩纤维织物作为航天器空间碎片超高速撞击损伤防护结构的增强材料用于航天领域的可行性，探讨了含玄武岩纤维混合编织材料的材料抗撞击损伤防护作用（该论文没有涉及单一玄武岩纤维材料），但是文中所谓的“玄武岩纤维布或玄武岩纤维织物”，实际上是以玄武岩纤维纱线为经纱，以玻璃纤维纱线为纬纱的两种材料混合编织材料，且是一层混编纤维布，同时采用的涂胶种类为氯丁胶，这些原因导致了该材料抗撞击损伤防护性能不好。

发明内容

本发明为了解决现有N/K填充Whipple防护结构中所用材料Kevlar和Nextel难于买到且成本高昂，及论文“玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析”中所涉及的材料抗撞击损伤防护性能不好的问题，而提供玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法。

玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法按以下步骤实现：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中，即得到玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料；其中步骤一种喷胶的胶种采用氯丁胶、环氧树脂胶或液体硅酸钠。

本发明中玄武岩纤维布中的玄武岩纤维是高性能无机纤维，玄武岩纤维的主要成分是硅、铝氧化物，硅、铝氧化物构成了骨架结构，有利于提高纤维的弹性和化学稳定性。玄武岩纤维中的硅、铝氧化物通过氧原子连接形成连续的线性晶格，使纤维具有纵向的高强度，其抗拉强度可达4GPa，弹性模量高达110GPa，玄武岩纤维在耐高温、耐腐蚀、隔热保温及电绝缘性等方面具有优良的性能。本发明采用玄武岩纤维布作为填充材料代替Nextel陶瓷布和Kevlar高强纤维的填充防护结构，可应用于航天器空间碎片超高速撞击防护。

本发明中的玄武岩纤维布易于获得且成本低，仅为35元/千克，同时具有较高的破碎弹丸能力和消耗弹丸撞击能量能力，制备成玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料后的抗撞击损伤防护效果比论文“玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析”中所涉及的材料的防护效果好，而且与N/K填充Whipple防护结构相比性能相当或略优。

附图说明

图1为具体实施方式三中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的示意图，其中1表示铝防护屏，2表示铝舱壁板，3表示防护间距，4表示薄铝板，5表示玄武岩纤维布；图2为具体实施方式四中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的示意图，其中1表示铝防护屏，2表示铝舱壁板，3表示防护间距，4表示玄武岩纤维布；图3为具体实施方式三中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料与N/K填充Whipple防护结构材料的高速撞击极限曲线图，其中●表示WBF/AL防护结构实验点，舱壁未击穿，○表示WBF/AL防护结构实验点，舱壁击穿，▲表示WBF/AL防护结构实验点，舱壁未击穿但有微裂纹，实线—表示N/K填充Whipple防护结构撞击极限曲线，撞击极限曲线下方为有效防护区域，铝防护屏和填充材料的总面密度m_b=0.5316g/cm²。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法按以下步骤实现：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中，即得到玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料；其中步骤一种喷胶的胶种采用氯丁胶、环氧树脂胶或液体硅酸钠。

本实施方式步骤一中喷胶处理，即在玄武岩纤维布上喷涂一层胶。

本实施方式步骤一中喷胶的胶种采用氯丁胶或液体硅酸钠均为市面出售的成品胶；环氧树脂胶需现场配制，采用618#环氧树脂，加入占环氧树脂质量8%～10%的固化剂和占环氧树脂质量20%～30%的増塑剂（増塑剂为邻苯二甲酸二丁酯）。

本实施方式步骤一中玄武岩纤维布中的玄武岩纤维与Kevlar、Nextel还有混编玄武岩纤维进行性能比较，结果如表1所示，混编玄武岩纤维的性能差；单一玄武岩纤维的最高抗拉强度可达4.8GPa，高于Kevlar，并远高于Nextel；玄武岩纤维的弹性模量最高可达110GPa，虽低于Kevlar和Nextel的弹性模量，但仍属于高模量纤维；单一玄武岩纤维的延伸率和密度都是最大的，通过比较可知本实施方式中单一玄武岩纤维具备了Kevlar和Nextel一类先进空间碎片防护材料的主要特征。

表1

对本实施方式步骤一中玄武岩纤维布进行铝合金球形弹丸超高速撞击损伤实验，确认玄武岩纤维布对铝合金球形弹丸造成的损伤为：

在撞击速度接近于2.4km/s时，铝合金球形弹丸前部（弹丸与纤维布接触面）局部材料熔化，玄武岩纤维丝断口处纤维丝熔化后凝结成的球状颗粒(熔球)，可知熔化是在铝合金弹丸前表面与玄武岩纤维布正面纤维撞击接触时发生的，熔球是从铝合金弹丸前表面飞溅出来的，由此可确认铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布出现前部局部熔化的速度低于并接近于2.34km/s；

随着撞击速度的提高，铝合金球形弹丸后部损伤形态依次为：产生层裂、层裂区域扩展形成层裂壳、层裂壳破碎、弹丸整体破碎；

实验表明玄武岩纤维布具有较高的破碎弹丸能力和消耗弹丸撞击能量能力；可以确认在防护结构材料的面密度相同时，玄武岩纤维布填充防护结构的防护效果与Nextel和Kevlar填充防护结构的防护效果接近或略好。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中玄武岩纤维布为玄武岩纤维纱线织成的二维或三维织物。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式本实施方式玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法按以下步骤实现：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中，即得到玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料；其中步骤一种喷胶的胶种采用环氧树脂胶。

本实施方式中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料如图1所示，由铝防护屏、铝舱壁板、薄铝板和玄武岩纤维布组成，其中铝防护屏1为1～2mm的铝合金板，铝舱壁板2为3～5mm的铝合金板，薄铝板3为0.3～0.6mm的铝合金板，且布置在铝防护屏1与铝舱壁板2的中间位置；总防护间距3为铝防护屏前表面至铝舱壁板后表面之间的距离，距离为5～25mm；玄武岩纤维布采用等间距的方式布置在薄铝板3前后。

本实施方式中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料(简称为WBF/AL防护结构)与N/K填充Whipple防护结构材料在面密度相同的条件下进行高速撞击对比实验，结果由图3可知，MWS031未击穿实验点，位于用于对比的N/K填充Whipple防护结构撞击极限曲线的上方，表明，在舱壁不击穿无剥落的条件下，WBF/AL防护结构能防护的弹丸直径大于N/K填充Whipple防护结构；在撞击速度为4.03km/s时，WBF/AL防护结构能防护直径为6.35mm的铝合金弹丸，而相同面密度的N/K填充Whipple防护结构能防护的最大弹丸直径为6～6.1mm，WBF/AL防护结构比N/K填充Whipple防护结构防护弹丸的直径增加了5.8～4.1%；从另一方面看，WBF/AL防护结构能防护6.35mm铝合金弹丸而不击穿无剥落的高速区范围的速度为4.03km/s，而相同面密度的N/K填充Whipple防护结构在高速区防护6.35mm铝弹丸的极限速度（最小速度）为4.2～4.25km/s，WBF/AL防护结构比N/K填充Whipple防护结构的防护速度降低了4～5.2%，使不击穿无剥落的高速区范围增大。

将MWS031点（未击穿实验点）与MWS055点（微裂纹实验点）用一根虚线连接起来作为参考线，可以表示出WBF/AL防护结构极限曲线高速区段的大致位置；该参考线大部分位于N/K填充结构撞击极限曲线直线段的左侧，表明WBF/AL防护结构在高速区的防护性能相当于或略优于N/K填充Whipple防护结构。

3.97mm直径弹丸的三发实验中的舱壁板均未击穿，其中速度较低的两发实验的实验点在图3中均位于N/K填充Whipple防护结构撞击极限曲线上方，表明WBF/AL防护结构在低速区与高速区分界位置附近的防护性能优于N/K填充Whipple防护结构。

可见，本实施方式中玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料（涂环氧树脂的玄武岩纤维布/铝合金板填充防护结构）在3.97mm至6.35mm直径弹丸范围内的防护性能，或者说在2.35km/s至4.06km/s速度范围内防护性能与N/K填充Whipple防护结构相当或略优。

具体实施方式四：本实施方式玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法按以下步骤实现：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中，即得到玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料；其中步骤一种喷胶的胶种采用氯丁胶。

本实施方式中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料如图2所示，由铝防护屏、铝舱壁板和玄武岩纤维布组成，其中铝防护屏1为1～2mm的铝合金板，铝舱壁板2为3～5mm的铝合金板；总防护间距3为铝防护屏前表面至铝舱壁板后表面之间的距离，距离为5～25mm；玄武岩纤维布采用等间距的方式布置在铝防护屏1和铝舱壁板2之间。

本实施方式中所得玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料与N/K填充Whipple防护结构材料在面密度相同的条件下进行高速撞击对比，防护性能与N/K填充Whipple防护结构相当或略优。

Claims

1.玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法，其特征在于玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法按以下步骤实现：一、对玄武岩纤维布进行喷胶处理，然后干燥；二、干燥后的玄武岩纤维布置于Whipple防护结构中，即得到玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料；其中步骤一种喷胶的胶种采用氯丁胶、环氧树脂胶或液体硅酸钠。

2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维布填充超高速撞击防护结构材料的制备方法，其特征在于步骤一中玄武岩纤维布为玄武岩纤维纱线织成的二维或三维织物。