CN104197786B - 一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法 Download PDF

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本发明涉及一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法，防弹板包括刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，各层热压成型而成；所述的刚性受弹层为碳纤维树脂基复合材料；所述的受弹层连接过渡层和背弹层连接过渡层均为浸有热固性树脂的碳纤维与能量吸收纤维混编预浸布组成；所述的能量吸收层为多层能量吸收纤维增强复合材料板材压制而成；所述的背弹刚性层由高性能碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维中的一种或几种与增韧改性的热固性树脂复合压制而成。本发明采用多层复合材质组成，可有效抵抗弹头的冲击力，有效减小弹头贯穿深度，比传统防弹材料质量更轻。

Description

一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法，所制备的防弹板可以有效抵抗弹头冲击，减少子弹冲击对人体的伤害，广泛应用于军事防弹防护领域。
背景技术
在武器性能不断推动的前提下，研究人员对如何有效提高防弹性能进行大量研究，不仅如此，在防弹的同时如何有效降低子弹冲击对人体的伤害也越来越到受到重视，虽然取得了诸多进展，但是传统防弹结构仍存在诸多不足：首先，制备工艺多是分别制备出各个功能层，然后再进行组装，制备时间较长，生产效率低下；其次，由于传统陶瓷材料的应用导致防弹制品密度较大，产品质量偏大，影响使用效果；第三，常规高分子复合材料防弹材料成品刚性不足，在受到子弹冲击时，随着接触面温度升高，材料逐渐变软，增加背凸，对人体造成冲击伤害。针对上述问题，军工防护领域迫切需要一种刚性大，吸收能力强，背突小，防护能力强的复合防弹结构材料，在受到子弹冲击时，快速度扩散吸收冲击波能量，减小对人体的冲击伤害。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种碳纤维复合材料防弹板及其制备方法，在提高其防弹功能的同时，降低产品密度，提高了压缩强度和抗冲击性能，提高了生产成型效率，有效减小对人体的冲击伤害。
本发明采取的技术方案为：
一种碳纤维复合材料防弹板，包括刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，各层热压成型而成；所述的刚性受弹层为碳纤维树脂基复合材料，由含碳纤维的纤维材料和热固性树脂体系高温交联固化而成；所述的受弹层连接过渡层为浸有热固性树脂的碳纤维与能量吸收纤维混合编织而成；所述的能量吸收层为多层能量吸收纤维增强复合材料板材压制而成；所述的背弹层连接过渡层为浸有热固性树脂的碳纤维与与能量吸收纤维混合编织而成；所述的背弹刚性层由高性能碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维中的一种或几种与增韧改性的热固性树脂复合压制而成。
上述的碳纤维复合材料防弹板，其中刚性受弹层中纤维铺设层数为2-10层之间，刚性受弹层的树脂含量在20wt％-40wt％之间；含碳纤维的纤维材料为单独碳纤维，也可以是碳纤维与陶瓷纤维或石墨纤维的混合。热固性树脂可以是环氧、酚醛或类似的树脂体系。
受弹层连接过渡层中的树脂含量在10wt％-40wt％之间，受弹层连接过渡层中纤维铺设层数为2-4层之间。浸有热固性树脂的碳纤维与能量吸收纤维可任意比例混织。
能量吸收层中树脂含量控制在10wt％-30wt％，铺设层数根据防弹级别的不同而不同。
背弹层连接过渡层中树脂含量在10wt％-40wt％之间，铺设层数为2-4层之间。热固性树脂的碳纤维与与能量吸收纤维可任意比例混织。
背弹刚性层中树脂含量控制在30％-45％，纤维铺设层数为2-6层之间。
上述的碳纤维复合材料防弹板中，能量吸收纤维为凯夫拉(芳纶)纤维、超高分子量聚乙烯纤维(拉伸强度在30cN/dtex以上)、PBO纤维、高强高韧碳纳米管纤维(拉伸强度在150MPa以上、杨氏模量在9GPa以上)或高强玻纤(拉伸强度为3500MPa以上)中的一种或几种；高性能碳纤维指T300以上的碳纤维；增韧改性的热固性树脂是丙烯酸或其他热塑性树脂改性环氧树脂或酚醛树脂等热固性树脂。
上述的碳纤维复合材料防弹板的制备方法，包括步骤如下：
(1)按上述原料取材料，根据设计结构铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，各层间涂覆粘接剂(粘结剂为热塑性树脂体系)；
(2)将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度130-180℃，作用压强根据尺寸大小控制在5-20MPa，保压时间0.5-3小时；
(3)对成品进行修剪，去除毛边，形成成品。
本发明的有益效果是：
①本发明所制备的防弹板采用一次同步压制成型，节约时间，提高生产效率；
②本发明采用多层复合材质组成，可有效抵抗弹头的冲击力，有效减小弹头贯穿深度，比传统防弹材料质量更轻。背弹层结构具有较好刚性，在提高防弹结构整体力学性能的同时，又可以有效避免子弹冲击背凸，大幅减小对人体造成的伤害；各功能层之间，使用这种组合粘结结构，发挥了不同防弹纤维材料之间的协同作用。
附图说明
图1为本发明防弹板的结构示意图；刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层；
其中：1——刚性受弹层
2——受弹层连接过渡层
3——能量吸收层
4——背弹层连接过渡层
5——背弹刚性层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明。
如图1，本发明一种碳纤维复合材料防弹板，包括刚性受弹层1、受弹层连接过渡层2、能量吸收层3、背弹层连接过渡层4和背弹刚性层5，各层热压成型而成。
实施例1
参见图1所示，复合防弹结构刚性受弹层和背弹刚性层采用3K单向无纬碳布，刚性受弹层铺两层，树脂含量控制在30wt％，背弹刚性层铺三层，树脂含量控制在30wt％。能量吸收层采用凯夫拉(芳纶)纤维布铺设压制而成，树脂含量控制在30wt％，受弹层连接过渡层和背弹层连接过渡层采用碳纤维和凯夫拉(芳纶)混编织物，各功能层之间涂敷树脂粘结剂，树脂含量控制在30wt％。根据设计结构依次铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，总层数为25层。将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度180摄氏度，作用压强控制在15MPa，保压时间1小时。
实施例2
参见图1所示，复合防弹结构刚性受弹层和背弹刚性层采用3K编制碳布，刚性受弹层铺六层，树脂含量控制在40wt％，背弹刚性层铺六层，树脂含量控制在40wt％。能量吸收层采用超高分子量聚乙烯纤维布铺设压制而成，树脂含量控制在40wt％，受弹层连接过渡层和背弹层连接过渡层采用碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维混编织物，各功能层之间涂敷树脂粘结剂，树脂含量控制在40wt％。根据设计结构依次铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，总层数50层。将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度130摄氏度，作用压强控制在16MPa，保压时间2.5小时。
实施例3
参见图1所示，复合防弹结构刚性受弹层和背弹刚性层采用3K碳纤维和氧化铝纤维混合编织布，刚性受弹层铺四层，树脂含量控制在20wt％，背弹刚性层铺四层，树脂含量控制在20wt％。能量吸收层采用超高分子量聚乙烯纤维布铺设压制而成，树脂含量控制在20wt％，受弹层连接过渡层和背弹层连接过渡层采用碳纤维、氧化铝和超高分子量聚乙烯纤维混编织物，各功能层之间涂敷树脂粘结剂，树脂含量控制在20wt％。根据设计结构依次铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，总层数85层。将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度150摄氏度，作用压强控制在18MPa，保压时间3小时。
实施例4
参见图1结构所示，复合防弹结构刚性受弹层和背弹刚性层采用3K碳纤维和高强玻璃纤维混合编织布，刚性受弹层铺六层，树脂含量控制在15wt％，背弹刚性层铺六层，树脂含量控制在15wt％。能量吸收层采用凯夫拉(芳纶)纤维布铺设压制而成，树脂含量控制在15wt％，受弹层连接过渡层和背弹层连接过渡层采用碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉(芳纶)纤维混编织物，各功能层之间涂敷树脂粘结剂，树脂含量控制在15wt％。根据设计结构依次铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，总层数120层。将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度175摄氏度，作用压强控制在20MPa，保压时间3小时。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，包括刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，各层热压成型而成；所述的刚性受弹层为碳纤维树脂基复合材料，由含碳纤维的纤维材料和热固性树脂体系高温交联固化而成；所述的受弹层连接过渡层为浸有热固性树脂的碳纤维与能量吸收纤维混合编织而成；所述的能量吸收层为多层能量吸收纤维增强复合材料板材压制而成，所述的能量吸收纤维为凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维、高强高韧碳纳米管纤维或高强玻纤中的一种或几种；所述的背弹层连接过渡层为浸有热固性树脂的碳纤维与能量吸收纤维混合编织而成；所述的背弹刚性层由高性能碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维中的一种或几种与增韧改性的热固性树脂复合压制而成，所述高性能碳纤维指T300以上的碳纤维，增韧改性的热固性树脂是热塑性树脂改性热固性树脂。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，所述的刚性受弹层树脂含量在20wt%-40wt%之间，纤维铺设层数为2-10层之间。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，所述的刚性受弹层中含碳纤维的纤维材料为单独碳纤维，或者是碳纤维与陶瓷纤维或石墨纤维的混合。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，所述的受弹层连接过渡层中树脂含量在10wt%-40wt%之间，纤维铺设层数为2-4层之间。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，能量吸收层中树脂含量控制在10wt%-30wt%。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，背弹层连接过渡层中树脂含量在10wt%-40wt%之间，铺设层数为2-4层之间。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料防弹板，其特征是，背弹刚性层中树脂含量控制在30wt%-45wt%，纤维铺设层数为2-6层之间。
8.权利要求1-7任一项所述的碳纤维复合材料防弹板的制备方法，其特征是，包括步骤如下：
（1）按原料需求取材料制得刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，根据设计结构铺设刚性受弹层、受弹层连接过渡层、能量吸收层、背弹层连接过渡层和背弹刚性层，各层间涂覆粘接剂；
（2）将铺设好的材料放入压机加压加热，加热温度130-180℃，作用压强根据尺寸大小控制在5-20MPa，保压时间0.5-3小时；
（3）对成品进行修剪，去除毛边，形成成品。
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