CN103660456B - 一种抗高速冲击复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高速冲击复合材料。由迎冲击面层、中间芯层和背冲击面层构成夹芯复合材料结构，芯层由多微孔材料构成；夹芯结构复合材料的迎冲击面层和背冲击面层，均由树脂质量含量为10‑40%的、至少有四层的无机纤维层和有机纤维层叠合而成，无机纤维层必需靠近迎冲击面层，迎冲击面层、背冲击面层和芯层之间通过粘合剂粘合。本发明利用各种高性能纤维的力学各向异性的不同，采用层间混杂方式制备面层复合材料，使得本发明复合材料具有质轻、弹体动能吸收能力优异；采用迎冲击面和背冲击面非对称方式设计夹芯结构复合材料，既保证复合材料的高动能吸收能力，又提高复合材料的抗剪切和抗弯能力。

Description

一种抗高速冲击复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料，尤其是涉及一种抗高速冲击复合材料。

背景技术

高性能纤维（玻璃纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯、芳纶1414纤维或PBO纤维）由于具有高比强度、高比模量等特点，高性能纤维增强复合材料在单位重量或面密度下具有高的冲击能力吸收能力，因此在个体防护、装甲、防护工程等领域具有十分重要的应用。

纤维材料的力学性质具有各向异性，即沿纤维轴向力学性能普遍比沿纤维横向力学性能好，轴向拉伸性能普遍比轴向压缩性能好。不同的高性能纤维其力学性能各向异性特征具有较大差异，玻璃纤维为准各向同性材料，纤维轴向和横向力学性能比较接近；碳纤维轴向力学性能比横向力学性能好；而有机高性能纤维（超高分子量聚乙烯、芳纶1414纤维或PBO）的横向力学性能和轴向压缩性能则普遍较差。研究表明，高性能混杂复合材料具有比单一高性能纤维更加优异的抗高速冲击能量吸收能力，不同的混杂顺序对复合材料的能量吸收能力有明显的影响，混杂时的铺层顺序原则为抗压、抗剪切的无机高性能纤维（玻璃纤维、碳纤维）在迎冲击面，抗拉、高断裂能的有机高性能纤维（超高分子量聚乙烯、芳纶1414纤维或PBO）在背冲击面时，更能发挥不同种类高性能纤维的优势。在其他条件相同情况下，纤维增强复合材料的树脂含量对复合材料的冲击能量吸收能力有较大影响。研究表明，树脂质量含量在10%-40%范围内，纤维增强复合材料的冲击能量吸收能力可以达到最大值。但低树脂含量纤维增强复合材料造成复合材料的抗剪切和抗弯曲性能下降，树脂含量越低，复合材料的抗层间剪切和抗弯曲性能越差，影响该类复合材料的使用性能和使用范围。

发明内容

为了改善现有抗高速冲击复合材料的不足，本发明的目的在于提供一种抗高速冲击复合材料，是一种具有特殊结构的抗高速冲击复合材料，该抗高速冲击复合材料即具有弹道防护能力，又具有较好的抗弯曲和承受载荷能力。

本发明采用的技术方案是：

本发明由迎冲击面层、中间芯层和背冲击面层构成夹芯复合材料结构，芯层由多微孔材料构成。所述夹芯结构复合材料的迎冲击面层和背冲击面层，均由树脂质量含量为10-40%的、至少有四层的无机纤维层和有机纤维层叠合而成，无机纤维层必需靠近迎冲击面层，迎冲击面层、背冲击面层和芯层之间通过粘合剂粘合。

所述芯层多微孔材料为轻木或发泡聚合物。

所述迎冲击面层和背冲击面层中，有机纤维占该面层中全部增强纤维质量的40-80%。

所述无机纤维为玻璃纤维或碳纤维；所述有机纤维为超高分子量聚乙烯、芳纶1414纤维或PBO纤维；所述迎冲击面层和背冲击面层的复合材料增强相为纤维单向长丝或织物，基体相为热固性树脂或热塑性树脂。

本发明具有的有益效果是：

（1）利用各种高性能纤维的力学各向异性的不同，采用层间混杂方式制备面层复合材料，使得本发明复合材料具有质轻、弹体动能吸收能力优异（单位面密度动能吸收65-85J.m²/kg.）。

（2）采用迎冲击面和背冲击面非对称方式设计夹芯结构复合材料，既保证复合材料的高动能吸收能力（动能吸收140-2340J），又提高复合材料的抗剪切和抗弯能力（弯曲模量180-300GPa），同时它可以抵抗200-900m/s的高速冲击。

附图说明

图1是实施例1复合材料结构示意图。

图2是对比例1复合材料结构示意图。

图3是对比例3复合材料结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示结构进行抗高速冲击复合材料的设计。迎冲击面层层间混杂复合材料采用玻璃纤维织物（G）/芳纶1414纤维织物（K）乙烯基酯树脂层间混杂复合材料，树脂含量40%，层间混杂顺序G/G/G/K/K/K，铺层角度0/90/0/90/0/90。该面层中有机高性能纤维芳纶1414的质量占全部增强织物质量的48.8%。织物规格为210g/m² S-2平纹玻璃纤维织物，200g/m2 kevlar129平纹织物。背冲击面面层层间混杂复合材料采用碳纤维织物（C）/超高分子量聚乙烯织物（E）乙烯基酯树脂层间混杂复合材料，树脂含量40%，层间混杂顺序C/C/E/E/E/E，铺层角度0/90/0/90/0/90。该面层中有机高性能纤维芳纶1414的质量占全部增强织物质量的42.8%。织物规格为400 g/m² T-300-6K碳纤维织物，150g/m²超高分子量聚乙烯平纹织物乙烯基酯树脂。

采用上述面层混杂复合材料，将面层复合材料和密度为150 kg/m³ 10mm厚轻木芯层采用双组份丙烯酸酯结构胶粘合，组装粘合时迎冲击面混杂复合材料的芳纶1414纤维织物靠近芯层，背冲击面混杂复合材料的碳纤维织物靠近芯层。

对比例1：

采用和实施例1中同样的迎冲击面和背冲击面混杂复合材料，不采用夹芯结构，即无轻木芯层，复合材料结构如图2所示。

对比例2

采用和实施例1同样的迎冲击面和背冲击面混杂复合材料增强材料、铺层顺序与角度、同样的夹芯材料和夹层结构，和实施例1唯一的不同是，迎冲击面和背冲击面混杂复合材料的树脂含量为60%。

对比例3

采用和实施例1同样的增强织物、树脂类型和含量、铺层角度，同样的夹芯材料，迎冲击面为玻璃纤维织物靠近芯层，背冲击面为超高分子量聚乙烯织物靠近芯层，其结构如图3所示。

对比结果：

抗弯刚度测试根据GB/T1456夹层结构弯曲性能试验方法。冲击能量测试采用锥形钢芯弹体，锥角30^o，锥高12mm，圆柱部分高度12mm，总弹体高度24mm，弹体直径7.5mm，弹体质量5.8g，试样尺寸100mm*100mm板材，测试板材四周固定。对比结果见表1。

表1 四种不同结构复合材料的弯曲和冲击能量吸收能力对比

	实施例1	对比例1	对比例2	对比例3
					V50（m/s）	310	320	275	286
动能吸收（J）	279	297	219	237
					弯曲模量（GPa）	189	25	215	200

实施例2-5

实施例2到实施例5抗高速冲击复合材料的材料和结构如表2所示。

表2 实施例2-5抗高速冲击复合材料

注：C代表碳纤维，G代表玻璃纤维，K代表芳纶1414纤维，E代表超高分子量聚乙烯纤维，P代表聚亚苯基苯并二恶唑（PBO）纤维

上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种抗高速冲击复合材料，由迎冲击面层、中间芯层和背冲击面层构成夹芯复合材料结构，芯层由多微孔材料构成；其特征在于：所述夹芯结构复合材料的迎冲击面层和背冲击面层，均由树脂质量含量为10-40%的、至少有四层的无机纤维层和有机纤维层叠合而成，在所述迎冲击面层和背冲击面层中，所述无机纤维层比任意的有机纤维层更靠近迎冲击侧，迎冲击面层、背冲击面层和芯层之间通过粘合剂粘合；

所述芯层多微孔材料为轻木或发泡聚合物；

所述迎冲击面层和背冲击面层中，有机纤维占该面层中全部增强纤维质量的40-80%；

所述无机纤维为玻璃纤维或碳纤维；所述有机纤维为超高分子量聚乙烯、芳纶1414纤维或PBO纤维；所述迎冲击面层和背冲击面层的复合材料增强相为纤维单向长丝或织物，基体相为热固性树脂或热塑性树脂。