一种模块化多维复合防弹板及其制备方法
技术领域
本发明涉及防护装备领域,具体涉及一种模块化多维复合防弹板及其制备方法,由多防弹材质模块化组合、多维复合结构一体化成型。
背景技术
目前世界局势趋于和平化发展,世界性规模化战争冲突存在的可能性不大,而转以国际恐怖袭击和国家内部暴乱、个体犯罪为主,因此在这种情况下,单兵、单警个体以及军警用交通装备面临的威胁从重型火力的伤害逐渐转至轻型枪械的弹丸侵彻伤。对于我国的士兵或警察来讲,所遇最多的枪型为手枪、微型冲锋枪或半自动步枪,因此要提高生命安全防护能力,对于单兵或单警而言,必须对个体防护服装配备高防御等级、轻质、佩戴舒适且使用寿命较长的防弹胸插板;而对于军警用交通设施来讲,必须配以高防御等级、重量较轻且使用寿命较长的防弹装甲板。
随着个体防护装备以及军警用防护设备的特性要求的不断提升,轻质化、结构稳定化、使用舒适化以及寿命长久化逐渐成为防护材质发展的主要方向。基于此,从20世纪70年代以来,高性能纤维复合材料在装甲防护领域得到了广泛的应用,其中以UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维为其主要代表,而特种改性胶黏剂基体的研究,也为高级防弹纤维力学性能的极致发挥做出了不可磨灭的贡献,这种新型防护复合材料的出现,有效的减轻了制品重量,在瞬间吸收弹丸冲击能量的同时又不存在对弹头的二次反弹问题,目前纤维复合材料在高质量防弹板方面的应用较多,对于单兵或单警防护服装的防御能力提升以及防弹装甲车辆防护级别的提升具有重要作用。
超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、PBO纤维等具有高强度、高模量等优异力学性能,而且密度低、韧性强、耐腐蚀性好、分子结构取向度高,在防弹领域有着突出的优势。但是单一材质的纤维复合材料自身也具有不可避免的缺点,例如超高分子量聚乙烯纤维的熔点较低、高温力学性能差,在硬质防弹胸插板方面应用会导致背弹面的背凸较大,有可能引起较严重的冲击伤害,而用在车辆装甲上会导致车体产生破坏性变形;芳纶纤维的耐老化性能较差、耐紫外辐射性能差,会引起寿命的降低,鉴于单一纤维复合材料在防弹性能中存在的问题,有研究者针对超高分子量纤维材料的性能进行了改性试验,但收效甚微;也有研究者采用混杂纤维组合铺层技术研制具备综合特性的防护材料,但这种防护材料的层与层之间仅是简单的铺设叠加,在使用过程中容易出现分层,不利于防护材料综合性能的实现。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足,本发明的目的是提供一种模块化多维复合防弹板及其制备方法,综合各种材质的防弹特性,采用多维复合结构将多种防弹材质进行模块化组合,利用真空导入、热模压一体化成型工艺,制备一种模块化多维复合防弹板,在有效提升防弹性能的基础上,降低制品重量、减小背凸、提高其在高低温环境中的结构稳定性、延长防弹板的使用寿命。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种模块化多维复合防弹板,包括外层的表面刚性结构层模块、与表面刚性结构层模块连接的三维编织框架、内嵌于三维编织框架内并依次设置的迎弹面陶瓷层模块、中间能量吸收层模块和背弹面防背凸层模块;
所述表面刚性结构层模块由至少一层高性能碳纤维单向或二维织物构成;
所述迎弹面陶瓷层模块由高硬度氧化铝、碳化硅或碳化硼陶瓷片拼接组合,陶瓷片之间由三维纤维织物编织连接成整体;
所述的高硬度氧化铝、碳化硅或碳化硼陶瓷片,其硬度值均在14Hv以上;
所述三维纤维织物为超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维中的一种或两种混杂,进行三维编织而成;
所述中间能量吸收层模块由超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维中的一种或两种混杂,浸渍改性热塑性树脂制成单向或二维织物预浸布后叠层组合而成;
所述背弹面防背凸层模块由高性能碳纤维单向或二维织物浸渍改性热固性树脂制成预浸布后叠层组合而成;
所述迎弹面陶瓷层模块、中间能量吸收层模块和背弹面防背凸层模块之间由高性能纤维进行三维编织形成框架整体;
所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维中的一种或两种;
优选的,所述表面刚性结构层模块由1-3层碳纤维单向或二维织物构成;
优选的,所述三维编织框架采用多维度编织结构;
优选的,所述中间能量吸收层模块由85-95层热塑性预浸布叠层组合而成;
优选的,所述背弹面防背凸层模块由18-21层热固性预浸布叠层组合而成;
上述的背弹面防背凸层模块和表面刚性结构层模块所用的高性能碳纤维,为拉伸强度在3500MPa以上的碳纤维,平均分子量在100万以上;
中间能量吸收层模块和三维编织框架所用的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维的拉伸强度均在30cN/dtex以上;
所述的改性热塑性树脂为热固性树脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂或橡胶弹性体;所述的改性热固性树脂是热塑性树脂改性的环氧树脂或酚醛树脂的环氧树脂、酚醛树脂或热固性聚氨酯。
该模块化多维复合防弹板的制造方法,包括以下步骤:
(1)迎弹面陶瓷层模块的制备:在陶瓷片表面涂刷热塑性树脂胶黏剂,将陶瓷片拼接组合后采用超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维的一种或两种混杂进行三维编织,制成迎弹面陶瓷层模块;
(2)中间能量吸收层模块的制备:将超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维中的一种或两种混杂,浸渍改性热塑性树脂,树脂含量控制在10-30wt.%,将浸渍改性热塑性树脂的纤维制成单向或二维织物预浸布,叠层组合而成;
(3)背弹面防背凸层模块的制备:将高性能碳纤维制成单向或二维织物,将上述织物浸渍改性热固性树脂,树脂含量控制在30-40wt.%,然后将浸渍改性热固性树脂的织物制成预浸布,叠层组合而成;
(4)按弹丸侵彻方向“迎弹面陶瓷层模块→中间能量吸收层模块的制备→背弹面防背凸层模块”进行铺叠,之后采用超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维中的一种或两种混杂进行三维编织,将上述模块层编织形成框架整体;
(5)在步骤(4)的框架整体的外表面包覆碳纤维单向或二维织物,制成表面刚性结构层模块,真空导入改性热固性树脂胶液,保证表面碳纤维织物和三维编织框架充分浸渍树脂胶液,含胶量控制在30-40wt.%,然后进行模压热固化成型,即得模块化多维复合防弹板。
所述纤维织物为单向织物、二维织物(平纹、斜纹、缎纹),单向织物可采用±90°、±45°等多种纤维叠层排列方式。
上述的改性热固性树脂为热塑性树脂改性的环氧树脂、酚醛树脂、热固性聚氨酯等类型,具备优良冲击韧性。改性热塑性树脂基体包括聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂、橡胶弹性体等其中的一种或多种,通过物理共混或化学接枝方式进行热固性树脂改性,使其成为具备优异冲击韧性的特种树脂胶黏剂。
步骤(5)中,所述真空导入工序中的真空度在-0.2~-0.8MPa之间调节。
本发明的有益效果:
(1)本发明制备的模块化多维复合防弹板,具有轻质、低背凸、高低温结构稳定、寿命长的综合优势,同时具有多种防弹纤维的综合特性。
(2)本发明采用多防弹材质模块化组合、多维复合结构一体化成型技术得到轻质、低背凸、高低温结构稳定的复合结构防弹板,由迎弹面陶瓷层模块、中间能量吸收层模块、背弹面防背凸层模块、三维编织框架、表面刚性结构层模块组成,其中,迎弹面陶瓷层模块可以在弹丸侵彻接触防弹板的过程中最大程度的使弹头变形,减弱弹丸的贯穿破坏能力;中间能量吸收层模块可以在弹丸高速冲击过程中最大程度的吸收弹丸的破坏能量;背弹面防背凸模块层模块可以有效降低弹丸在防弹板背部的鼓包问题,减弱对人体的冲击损伤;三维编织框架将前三个模块功能层编织形成整体,保证防弹板整体不分层;表面刚性结构层模块可以给防弹板整体提供较高刚度,保证防弹板在高低温环境下不会存在变软变形的问题。
(3)本发明采用树脂真空导入、热模压一体化成型工艺,该成型方式可有效提高模压工艺的排气效率,提高防弹板整体刚度,增加预浸料界面结合。
附图说明
图1为本发明的模块化多维复合防弹板的结构示意图;
图2为迎弹面陶瓷层模块的结构示意图;
图3为中间能量吸收层模块结构示意图;
图4为背弹面防背凸层模块结构示意图;
其中,1-迎弹面陶瓷层模块,2-中间能量吸收层模块,3-背弹面防背凸层模块,4-三维编织框架,5-表面刚性结构层。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明,应该说明的是,下述说明仅是为了解释本发明,并不对其内容进行限定。
实施例1:
选用高硬度氧化铝陶瓷片(硬度16Hv)进行迎弹面模块层拼接,之后表面涂刷水性聚氨酯胶黏剂,将拼接组合后的陶瓷层表面进行超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维的三维混杂编织处理,选用的UHMWPE纤维的强度为40g/d、芳纶为Kevlar的K29纤维,其中UHMWPE纤维:芳纶纤维质量比为2:1。
选用强度为35g/d的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶Kevlar的K29纤维两种混杂,两种纤维的质量比为3:1,浸渍热塑性聚氨酯树脂后制备单向预浸布,预浸布的含胶量控制在15wt.%,之后将单向预浸布按照±90°方向叠层制备中间能量吸收层模块,预浸料克重控制在80g/m2。
选用T700碳纤维和M40高模量碳纤维为纤维原料,两种纤维按照质量比1:1的比例制备平纹织物,之后浸渍改性环氧树脂胶黏剂制备平纹预浸布,含胶量为40wt.%,预浸布克重在100g/m2。将制备的预浸布叠层后制备背弹面防背凸层模块。
设定防弹为GA 141-2010中规定的5级要求,将以上三种模块层进行组合,其中迎弹面陶瓷层的克重为5kg/m2,中间能量吸收层模块的叠层数量为90层,背弹面防背凸层模块的叠层数量为20层。
将上述模块层采用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维与芳纶Kevlar的K29纤维混杂三维编织,二者的用量比为1:1,制备三维编织框架,之后采用T700高强型碳纤维单向织物包覆制备外表面刚性结构层,包覆层数为2层。
将上述模块化多维复合结构预制体进行改性环氧树脂的真空导入处理,控制含胶量在40wt.%,保证三维织物框架层和表面碳纤维刚性结构层充分浸渍树脂,之后将上述样品放入预热模具中,保持真空度在-0.6MPa,模压温度在125℃、压力在8MPa条件下,保温保压10分钟,之后保持真空度在-0.6MPa,在120℃、16.5MPa条件下保温保压20分钟,最后真空度在-0.4MPa,保持16.5MPa压强降温至60℃以下开启模具取出样品,采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的模块化多维复合防弹板。
为评价本实施例制备的模块化多维复合防弹板的防弹性能,按GA 141-2010的标准进行测试,结果均符合GA 141-2010的标准要求。
实施例2
选用高硬度碳化硼陶瓷片(硬度30Hv)进行迎弹面模块层拼接,之后表面涂刷热塑性不饱和聚酯胶黏剂,将拼接组合后的陶瓷层表面进行超高分子量聚乙烯纤维三维混杂编织处理,选用的UHMWPE纤维的强度为40g/d。
选用强度为30g/d的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶Kevlar的K29纤维两种混杂,两种纤维的质量比为4:1,浸渍热塑性聚氨酯树脂后制备单向预浸布,预浸布的含胶量控制在10wt.%,之后将单向预浸布按照±90°方向叠层制备中间能量吸收层模块,预浸料克重控制在75g/m2。
选用T700碳纤维为纤维原料制备平纹织物,之后浸渍改性酚醛树脂胶黏剂制备斜纹预浸布,含胶量为35wt.%,预浸布克重在110g/m2。将制备的预浸布叠层后制备背弹面防背凸层模块。
设定防弹为GA 141-2010中规定的4级要求,将以上三种模块层进行组合,其中迎弹面陶瓷层的克重为4kg/m2,中间能量吸收层模块的叠层数量为85层,背弹面防背凸层模块的叠层数量为18层。
将上述模块层采用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维与芳纶Kevlar的K29纤维混杂三维编织,二者的用量的质量比为2:1,制备三维编织框架,之后采用T300高强型碳纤维单向织物包覆制备外表面刚性结构层,包覆层数为3层。
将上述模块化多维复合结构预制体进行改性环氧树脂的真空导入处理,控制含胶量在30wt.%,保证三维织物框架层和表面碳纤维刚性结构层充分浸渍树脂,之后将上述样品放入预热模具中,保持真空度在-0.5MPa,模压温度在120℃、压力在8MPa条件下,保温保压15分钟,之后保持真空度在-0.5MPa,在120℃、16.5MPa条件下保温保压20分钟,最后真空度在-0.4MPa,保持16.5MPa压强降温至70℃以下开启模具取出样品,采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的模块化多维复合防弹板。
实施例3
选用高硬度碳化硅陶瓷片(硬度32Hv)进行迎弹面模块层拼接,之后表面涂刷水性聚氨酯胶黏剂,将拼接组合后的陶瓷层表面进行超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维的三维混杂编织处理,选用的UHMWPE纤维的强度为42g/d、芳纶为Kevlar的K49纤维,其中UHMWPE纤维:芳纶纤维的质量比为3:1。
选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶Kevlar的K29纤维两种混杂,两种纤维的质量比为1:1,浸渍热塑性不饱和聚酯树脂后制备单向预浸布,预浸布的含胶量控制在20wt.%,之后将单向预浸布按照±45°方向叠层制备中间能量吸收层模块,预浸料克重控制在80g/m2。
选用T700碳纤维和M40高模量碳纤维为纤维原料,两种纤维按照3:1的质量比制备平纹织物,之后浸渍改性环氧树脂胶黏剂制备平纹预浸布,含胶量为35wt.%,预浸布克重在105g/m2。将制备的预浸布叠层后制备背弹面防背凸层模块。
设定防弹为GA 141-2010中规定的5级要求,将以上三种模块层进行组合,其中迎弹面陶瓷层的克重为4kg/m2,中间能量吸收层模块的叠层数量为95层,背弹面防背凸层模块的叠层数量为19层。
将上述模块层采用强度为35g/d的超高分子量聚乙烯纤维三维编织制备三维框架,之后采用T700高强型碳纤维单向织物包覆制备外表面刚性结构层,包覆层数为3层。
将上述模块化多维复合结构预制体进行改性环氧树脂的真空导入处理,控制含胶量在35wt.%,保证三维织物框架层和表面碳纤维刚性结构层充分浸渍树脂,之后将上述样品放入预热模具中,保持真空度在-0.4MPa,模压温度在130℃、压力在8MPa条件下,保温保压10分钟,之后保持真空度在-0.4MPa,在120℃、16.5MPa条件下保温保压30分钟,最后真空度在-0.4MPa,保持16.5MPa压强降温至70℃以下开启模具取出样品,采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的模块化多维复合防弹板。
实施例4:
选用高硬度碳化硅陶瓷片(硬度30Hv)进行迎弹面模块层拼接,之后表面涂刷水性聚氨酯胶黏剂,将拼接组合后的陶瓷层表面进行超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维的三维混杂编织处理,选用的UHMWPE纤维的强度为42g/d、芳纶为Kevlar的K49纤维,其中UHMWPE纤维:芳纶纤维的质量比为4:1。
选用强度为35g/d的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶Kevlar的K49纤维两种混杂,两种纤维的质量比为3:1,浸渍热塑性聚氨酯树脂后制备单向预浸布,预浸布的含胶量控制在10wt.%,之后将单向预浸布按照±90°方向叠层制备中间能量吸收层模块,预浸料克重控制在80g/m2。
选用T300碳纤维和T700高强度碳纤维为纤维原料,两种纤维按照1:3的质量比制备缎纹织物,之后浸渍改性环氧树脂胶黏剂制备平纹预浸布,含胶量为40wt.%,预浸布克重在105g/m2。将制备的预浸布叠层后制备背弹面防背凸层模块。
设定防弹为GA 141-2010中规定的5级要求,将以上三种模块层进行组合,其中迎弹面陶瓷层的克重为5.5kg/m2,中间能量吸收层模块的叠层数量为90层,背弹面防背凸层模块的叠层数量为21层。
将上述模块层采用强度为30g/d的超高分子量聚乙烯纤维与芳纶Kevlar的K29纤维混杂三维编织,二者的用量比为2:1,制备三维编织框架,之后采用T700高强型碳纤维单向织物包覆制备外表面刚性结构层,包覆层数为1层。
将上述模块化多维复合结构预制体进行改性环氧树脂的真空导入处理,控制含胶量在40wt.%,保证三维织物框架层和表面碳纤维刚性结构层充分浸渍树脂,之后将上述样品放入预热模具中,保持真空度在-0.7MPa,模压温度在125℃、压力在8MPa条件下,保温保压10分钟,之后保持真空度在-0.7MPa,在120℃、16.5MPa条件下保温保压25分钟,最后真空度在-0.4MPa,保持16.5MPa压强降温至60℃以下开启模具取出样品,采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的模块化多维复合防弹板。