CN108454194B - 一种含uhmwpe纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含UHMWPE纤维‑泡沫铝夹芯的多层复合材料，由金属面板、夹芯层和金属背板组成；夹芯层依次由上纤维层、泡沫铝层和下纤维层组成；其中，上纤维层和下纤维层均为三维编织复合结构，上纤维层的厚度为1～2mm，下纤维层的厚度为1～2mm，泡沫铝层的厚度为4～5mm。本发明还公开了上述含UHMWPE纤维‑泡沫铝夹芯的多层复合材料在用于制备防爆设备和防冲撞设备中的应用。本发明复合材料质量轻、密度低，在吸收爆炸冲击波和抗破片冲击侵彻方面均有良好表现；可作为舰船舱室、流动银行、运钞车、防爆服以及防弹衣的主体防护材料使用。

Description

一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料及其应用
技术领域
本发明涉及一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，还涉及上述材料在用于制备防爆设备和防冲撞设备中的应用，属于轻质材料防护领域。
背景技术
夹层复合材料一般是由夹芯层、面板和背板组成的多层复合材料，夹芯层通常选用低密度且具有吸波、降噪、减震、耐热等功能性材料，如具有优异吸能特性的泡沫材料、蜂窝材料和金属点阵材料等，面板和背板起到提高结构整体性和强度的作用。由于夹芯复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高以及功能可设计性等优点，广泛应用于航空航天领域中空间碎片高速撞击的防护、结构防护性能的提升与完善以及公共安全领域中有限空间内爆炸物的安全防护。
目前研究较多的防护结构和材料主要集中于陶瓷复合材料、泡沫夹芯复合材料、纤维增强复合材料和Whipple防护结构等，上述复合材料往往仅在吸收爆炸冲击波或抗破片冲击侵彻单一方面具有良好的防护性能，而实际情况是，爆炸冲击波常伴随着破片共同作用于防护材料上。因此，基于综合提高复合材料抗爆和抗侵彻性能的防护目标，提出一种新的复合材料，该复合材料既具有良好的吸收爆炸冲击波的性能，又具有良好的抗破片侵彻性能。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，该复合材料具有优异的防爆性能和抗破片侵彻性能。
本发明还要解决的技术问题是上述含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料在用于制备防爆设备和防冲撞设备中的应用。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，由金属面板、夹芯层和金属背板组成；所述夹芯层依次由上纤维层、泡沫铝层和下纤维层组成；其中，所述上纤维层和下纤维层均为三维编织复合结构，所述上纤维层的厚度为1～2mm，下纤维层的厚度为1～2mm，泡沫铝层的厚度为4～5mm。
一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，由金属面板、夹芯层和金属背板组成；所述夹芯层由纤维层和泡沫铝层依次交替排布组成；其中，泡沫铝层位于金属面板一侧或纤维层位于金属面板一侧；所述纤维层为三维编织复合结构，所述纤维层的厚度为2～3mm，泡沫铝层的厚度为4～5mm。
其中，所述金属面板和金属背板均为铝板，铝板的厚度为0.5～1mm。
其中，所述复合材料各层之间采用树脂胶黏固定。
其中，所述泡沫铝层采用如下重量份数的组分混制而成：70～90份铝铁合金粉、50～60份铝粉、10～15份氢氧化铝、3～5份聚酯多元醇、5～8份有机硅酮、6～10份高岭土、4～6份膨胀土、10～15份石灰石粉、5～10份玻璃纤维、10～12份氢氧化镁、10～15份植物纤维、2～4份硫酸亚铁、20～30份活性污泥粉末、3～5份硼酸铝、1～2份氮化铝粉、10～12份聚醋酸乙烯酯乳液、6～10份十二烷基苯磺酸钠、8～10份邻苯二甲酸酐以及6～8份三羟甲基丙烷。
(活性污泥粉末：将收集到的活性污泥过80目筛；过筛后清洗干净；将清洗后的活性污泥置于-80℃下冷冻干燥12h，干燥后研磨成粉。)
其中，所述泡沫铝层的孔隙率为75～80％，孔径为3～5mm。
其中，所述上纤维层和下纤维层均为UHMWPE纤维层；其中，UHMWPE纤维层采用如下方式处理：先进行浸泡处理，将UHMWPE纤维层于0.1MPa压力下浸泡在阻燃液中12h；将浸泡后的UHMWPE纤维层取出，于90℃下烘72h，将烘干后的UHMWPE纤维层表面涂覆保护涂层，涂覆后再于80～90℃下烘干即可；其中，阻燃液由如下重量份数的组分组成：30～50份钛酸四丁酯、20～25份丙烯酸丁酯、3～5份磷酸铝钠、6～8份膨胀珍珠岩、3～5份铝矾土、5～6份乙二醇乙醚、3～6份液态石蜡、2～3份三聚氰胺、5～8份硼酸锌、1～2份成碳促进剂、5～10份酒石酸、4～7份硅藻土、50～60份氧化石墨烯分散液以及60～80份聚乙二醇；保护涂层由如下重量份数的组分组成：50～60份丙烯酸乳液、30～40份饱和聚酯树脂、20～30份聚硫橡胶、10～15份硅溶胶、10～20份甘油、10～15份瓜尔胶、6～8份聚环氧乙烷、3～6份氯化铵、3～6份磷酸三甲酯、5～8份磷酸铝、1～2份十二烷基硫酸钠以及3～5份聚醚硅油。
其中，所述纤维层为UHMWPE纤维层；其中，UHMWPE纤维层采用如下方式处理：先进行浸泡处理，将UHMWPE纤维层于0.1MPa压力下浸泡在阻燃液中12h；将浸泡后的UHMWPE纤维层取出，于90℃下烘72h，将烘干后的UHMWPE纤维层表面涂覆保护涂层，涂覆后再于80～90℃下烘干即可；其中，阻燃液由如下重量份数的组分组成：30～50份钛酸四丁酯、20～25份丙烯酸丁酯、3～5份磷酸铝钠、6～8份膨胀珍珠岩、3～5份铝矾土、5～6份乙二醇乙醚、3～6份液态石蜡、2～3份三聚氰胺、5～8份硼酸锌、1～2份成碳促进剂、5～10份酒石酸、4～7份硅藻土、50～60份氧化石墨烯分散液以及60～80份聚乙二醇；保护涂层由如下重量份数的组分组成：50～60份丙烯酸乳液、30～40份饱和聚酯树脂、20～30份聚硫橡胶、10～15份硅溶胶、10～20份甘油、10～15份瓜尔胶、6～8份聚环氧乙烷、3～6份氯化铵、3～6份磷酸三甲酯、5～8份磷酸铝、1～2份十二烷基硫酸钠以及3～5份聚醚硅油。经过改性处理后的UHMWPE纤维层具有良好的阻燃性、耐磨性和耐切割性。
其中，所述三维编织复合结构由多束纤维束编织成空间网状结构，纤维束的编织角为21～25°；所述三维编织复合结构形成的织物面密度为240g/m2；具有该结构和密度的UHMWPE纤维具有高强度和高纤维模量，如拉伸强度能达到4.8GPa，拉伸模量能达到140GPa。
上述含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料在用于制备防爆设备和防冲撞设备中的应用。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明复合材料质量轻、密度低，在吸收爆炸冲击波和抗破片冲击侵彻方面均有良好表现；可作为舰船舱室、流动银行、运钞车、防爆服以及防弹衣的主体防护材料使用；并且其还可根据实际的防护需求，选择相应的材料结构参数和组合方式以满足不同环境下对复合材料的需求；另外，本发明复合材料中的泡沫铝具有良好的耐腐蚀和耐磨性能，且发泡均匀，其在配方中加入活性污泥粉末，活性污泥粉末通过与配方中其他组分相互作用，使配方不需要额外再加入发泡剂，也能使制得的泡沫铝材料具有大的孔隙率和比表面积，从而有效提高复合材料整体的隔热、吸音、减振、吸收冲击能等性能，并且其使用寿命长，能够适用于任何恶劣环境；最后，本发明复合材料中的UHMWPE纤维具有高的强度和纤维模量，其经过改性处理后，具有良好的阻燃性、耐磨性和耐切割性，从而使复合材料在抗破片侵彻上表现良好。
附图说明
图1本发明复合材料实施例1的结构示意图；
图2本发明复合材料实施例2的结构示意图I；
图3本发明复合材料实施例2的结构示意图II。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。应理解，这些实施案例仅用于说明本发明的技术方案而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，由金属面板1、夹芯层2和金属背板3组成；夹芯层2依次由上纤维层4、泡沫铝层5和下纤维层6组成；其中，上纤维层4和下纤维层6均为三维编织复合结构，三维编织复合结构由多束纤维束编织成空间网状结构，纤维束的编织角为21～25°，三维编织复合结构形成的织物面密度为240g/m2；上纤维层4的厚度为1～2mm，下纤维层6的厚度为1～2mm，泡沫铝层5的厚度为4～5mm；金属面板1和金属背板3均为厚度0.5～1mm的薄铝板，复合材料各层之间采用树脂胶黏固定；复合材料的厚度约为7～11mm；泡沫铝层5的孔隙率为75～80％，孔径为3～5mm。
实施例2
如图2～3所示，本发明含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，由金属面板1、夹芯层2和金属背板3组成；夹芯层2由多个纤维层4和多个泡沫铝层5依次交替排布组成；其中，泡沫铝层5位于金属面板1的一侧或纤维层4位于金属面板1的一侧；纤维层4为三维编织复合结构，三维编织复合结构由多束纤维束编织成空间网状结构，纤维束的编织角为21～25°，三维编织复合结构形成的织物面密度为240g/m2；纤维层4的厚度为2～3mm，泡沫铝层5的厚度为4～5mm；金属面板1和金属背板3均为厚度0.5～1mm的薄铝板，复合材料各层之间采用树脂胶黏固定；复合材料的厚度约为7～11mm；泡沫铝层5的孔隙率为75～80％，孔径为3～5mm。
表1为在相同的冲击力下(炸药种类和装药量相同、破片尺寸和数量相同)，相同的冲击角度下(入射/爆炸方向与复合板法线方向一致)，本发明含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料与现有材料的实验数据对比：
表1 不同组合材料防护性能比较
Figure BDA0001590447160000051
注：“弹道极限速度”指破片完全贯穿防护材料所需的最小速度，其值常取未贯穿防护材料的最大速度与完全贯穿时最小速度的平均值。
“金属板-泡沫铝-金属板”三明治结构材料中的泡沫铝为本发明复合材料使用的泡沫铝。
由表1可知，相比于现有技术，本发明复合材料通过对泡沫铝材料和UHMWPE纤维材料性能的优化以及材料组合方式(包括材料的厚度、层数和组合顺序)的优化，大大提高了复合材料对爆炸冲击波的防护性能和抗破片的侵彻性能，从而使其具有更广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：由金属面板、夹芯层和金属背板组成；所述夹芯层依次由上纤维层、泡沫铝层和下纤维层组成；其中，所述上纤维层和下纤维层均为三维编织复合结构，所述上纤维层的厚度为1～2mm，下纤维层的厚度为1～2mm，泡沫铝层的厚度为4～5mm； 所述泡沫铝层采用如下重量份数的组分混制而成：70～90份铝铁合金粉、50～60份铝粉、10～15份氢氧化铝、3～5份聚酯多元醇、5～8份有机硅酮、6～10份高岭土、4～6份膨胀土、10～15份石灰石粉、5～10份玻璃纤维、10～12份氢氧化镁、10～15份植物纤维、2～4份硫酸亚铁、20～30份活性污泥粉末、3～5份硼酸铝、1～2份氮化铝粉、10～12份聚醋酸乙烯酯乳液、6～10份十二烷基苯磺酸钠、8～10份邻苯二甲酸酐和6～8份三羟甲基丙烷；所述上纤维层和下纤维层均为UHMWPE纤维层；其中，UHMWPE纤维层采用如下方式处理：先进行浸泡处理，将UHMWPE纤维层于0.1MPa压力下浸泡在阻燃液中12h；将浸泡后的UHMWPE纤维层取出，于90℃下烘72h，将烘干后的UHMWPE纤维层表面涂覆保护涂层，涂覆后再于80～90℃下烘干即可；其中，阻燃液由如下重量份数的组分组成：30～50份钛酸四丁酯、20～25份丙烯酸丁酯、3～5份磷酸铝钠、6～8份膨胀珍珠岩、3～5份铝矾土、5～6份乙二醇乙醚、3～6份液态石蜡、2～3份三聚氰胺、5～8份硼酸锌、1～2份成碳促进剂、5～10份酒石酸、4～7份硅藻土、50～60份氧化石墨烯分散液以及60～80份聚乙二醇；保护涂层由如下重量份数的组分组成：50～60份丙烯酸乳液、30～40份饱和聚酯树脂、20～30份聚硫橡胶、10～15份硅溶胶、10～20份甘油、10～15份瓜尔胶、6～8份聚环氧乙烷、3～6份氯化铵、3～6份磷酸三甲酯、5～8份磷酸铝、1～2份十二烷基硫酸钠以及3～5份聚醚硅油。
2.一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：由金属面板、夹芯层和金属背板组成；所述夹芯层由纤维层和泡沫铝层依次交替排布组成；其中，泡沫铝层位于金属面板一侧或纤维层位于金属面板一侧；所述纤维层为三维编织复合结构，所述纤维层的厚度为2～3mm，泡沫铝层的厚度为4～5mm；所述泡沫铝层采用如下重量份数的组分混制而成：70～90份铝铁合金粉、50～60份铝粉、10～15份氢氧化铝、3～5份聚酯多元醇、5～8份有机硅酮、6～10份高岭土、4～6份膨胀土、10～15份石灰石粉、5～10份玻璃纤维、10～12份氢氧化镁、10～15份植物纤维、2～4份硫酸亚铁、20～30份活性污泥粉末、3～5份硼酸铝、1～2份氮化铝粉、10～12份聚醋酸乙烯酯乳液、6～10份十二烷基苯磺酸钠、8～10份邻苯二甲酸酐和6～8份三羟甲基丙烷；所述纤维层为UHMWPE纤维层；其中，UHMWPE纤维层采用如下方式处理：先进行浸泡处理，将UHMWPE纤维层于0.1MPa压力下浸泡在阻燃液中12h；将浸泡后的UHMWPE纤维层取出，于90℃下烘72h，将烘干后的UHMWPE纤维层表面涂覆保护涂层，涂覆后再于80～90℃下烘干即可；其中，阻燃液由如下重量份数的组分组成：30～50份钛酸四丁酯、20～25份丙烯酸丁酯、3～5份磷酸铝钠、6～8份膨胀珍珠岩、3～5份铝矾土、5～6份乙二醇乙醚、3～6份液态石蜡、2～3份三聚氰胺、5～8份硼酸锌、1～2份成碳促进剂、5～10份酒石酸、4～7份硅藻土、50～60份氧化石墨烯分散液以及60～80份聚乙二醇；保护涂层由如下重量份数的组分组成：50～60份丙烯酸乳液、30～40份饱和聚酯树脂、20～30份聚硫橡胶、10～15份硅溶胶、10～20份甘油、10～15份瓜尔胶、6～8份聚环氧乙烷、3～6份氯化铵、3～6份磷酸三甲酯、5～8份磷酸铝、1～2份十二烷基硫酸钠以及3～5份聚醚硅油。
3.根据权利要求1或2所述的含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：所述金属面板和金属背板均为铝板，铝板的厚度为0.5～1mm。
4.根据权利要求1或2所述的含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：所述复合材料各层之间采用树脂胶黏固定。
5.根据权利要求1或2所述的含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：所述泡沫铝层的孔隙率为75～80％，孔径为3～5mm。
6.根据权利要求1或2所述的含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料，其特征在于：所述三维编织复合结构由多束纤维束编织成空间网状结构，纤维束的编织角为21～25°；所述三维编织复合结构形成的织物面密度为240g/m2。
7.权利要求1或2所述含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合材料在用于制备防爆设备和防冲撞设备中的应用。
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