制備了連續玄武巖纖維增強的環氧樹脂基復合材料靶板,并進行了抗沖擊性能測試,研究了影響其抗沖擊性能的主要因素及抗沖擊機理。結果表明,表面處理會使復合材料抗沖擊性能下降;而降低織物面密度、提高纖維體積含量可以使復合材料抗沖擊性能得到提高。復合材料靶板的主要能量吸收形式為靶板局部變形、分層和纖維拉伸、剪切斷裂及纖維拔脫。

       隨著戰爭條件的不斷改變,滿足現代戰爭需要的新型裝甲防護材料不斷被應用于武器系統的防護領域。纖維復合材料具有優良的物理機械性能,其比強度和比模量高于金屬材料,抗聲震疲勞性、減震性能也大大超過金屬材料。此外該類材料還具有良好的動能吸收性,且無“二次殺傷效應”,因而具有良好的抗沖擊性能[1-2]。更重要的是在抗沖擊性能相當的情況下,復合材料的質量較金屬材料大大減輕,從而使武器系統具有良好的機動性,對于裝甲車輛的輕量化具有重要意義[3]。

       連續玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石作為原料,將其破碎后加入熔窯中,熔融后通過鉑銠合金拉絲漏板制成的[4]。它與玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維等相比具有獨特的優點[5]:(1)原料來源廣泛,成本低;(2)突出的耐高溫性能;(3)耐酸堿腐蝕性能優異;(4)電磁波透過性好;(5)吸濕率比玻璃纖維低6~8倍。因而連續玄武巖纖維增強樹脂基復合材料以其獨特的性能在冶金、化工、建筑、航空航天、兵器等領域將具有較廣闊的應用前景[6]。本試驗對基體樹脂種類與含量、纖維織物結構以及纖維表面處理對玄武巖纖維復合材料抗沖擊性能的影響進行了研究。

1　實驗部分

1.1　主要原材料和設備

       主要原材料:連續玄武巖纖維,φ7μm,上海俄金玄武巖纖維有限公司;環氧乙烯基樹脂,Arotech7121,濟南揚程實業有限公司;硅烷偶聯劑,KH550,南京立派化工有限公司。

主要設備儀器:DSC-1纏繞機,哈爾濱玻璃鋼研究所生產;YX-100壓力成型機,上海偉力機械廠制造;QUANTA200型掃描電子顯微鏡,美國FEI公司。

1.2　實驗方法

1.2.1　纖維表面處理

將KH550處理劑配成濃度為2%的水溶液,將連續玄武巖纖維放入處理劑溶液中浸泡,至規定時間后取出放入真空烘箱,在80℃下真空加熱30min除去溶劑,再在110℃下反應90min。

1.2.2　靶板制備

纖維在纏繞機上完成預浸料制備。將預浸料放在模具里,升溫至140℃,在5MPa壓力下固化成型為玄武巖纖維復合材料靶板。

1.2.3　v50測試和比吸能計算

v50彈道極限速度是評估材料抗沖擊性能的一個重要指標[7]。v50的計算公式:

 

式中,m為彈體質量,vs、vr分別為彈體入靶速度和出靶速度。比吸能性是靶板吸收能量與靶板面密度之比,其計算公式為:

Sea=m v502/2ρs(2)

式中,Sea-靶板比吸能;m-入射彈丸質量;ρs-靶板面密度。

本試驗采用7·62mm 53式彈道槍,使用1·1g碎片模擬彈進行v50和比吸能性的測試。

2　結果與討論

2 .1　纖維表面處理對復合材料抗沖擊性能的影響

在KH550處理劑中的雙官能團可以分別與玄武巖纖維及環氧樹脂進行反應。纖維經過表面處理以后,與基體材料的結合狀況會得到加強,從而影響到復合材料的抗沖擊性能。纖維經過表面處理以后所制備的復合材料抗沖擊性能如表1所示,圖1為靶板斷口的SEM照片。

從表1可以看到,用處理劑對纖維表面進行處理以后,抗沖擊性能有所下降,而處理時間對其抗沖擊性能影響不十分明顯。從圖1可以發現,未經表面處理的纖維復合材料在受到彈丸沖擊作用時,靶板斷口處的纖維會從基體中發生“拔脫”現象,“拔脫”出的纖維表面仍然帶有少量的樹脂,這種“拔脫”可以消耗彈丸的沖擊能量。而纖維經過表面處理以后,纖維與基體材料的結合力大大增強,在彈丸的瞬時沖擊作用下,纖維只是在靶板斷口處發生斷裂,這使得復合材料可以吸收彈丸沖擊能量減少,因而抗沖擊性能下降。此外由于表面處理劑與纖維表面和基體樹脂之間均為化學連接,在化學反應達到平衡以后,延長處理時間對于處理效果的影響較小,因此對其抗沖擊性能的影響也就較小。

2.2　織物面密度對復合材料抗沖擊性能的影響在靶板厚度一定的情況下,隨著織物面密度的減少,復合材料的鋪層層數會增加,對復合材料的抗沖擊性能有很大影響,如圖2所示。

從圖2可以看到,隨著織物面密度的增加,復合材料的抗沖擊性能呈現下降趨勢。這主要是由于當織物面密度較小時,在相同厚度條件下復合材料的鋪層層數較多。在受到彈丸沖擊作用時,由于同一彈丸所產生的沖擊波的傳播速率是一定的,因此在同一時間段內會有較多的纖維參與對彈丸沖擊能量的吸收,同時由于鋪層層數的增加,使得沖擊波在各層之間的反射次數增多,衰減作用加大,因而復合材料的抗沖擊性能也就較高。

2.3　纖維體積含量對復合材料抗沖擊性能的影響

纖維為復合材料的主要增強相,因此纖維體積含量對于復合材料的抗沖擊性能有很大影響。不同纖維體積含量下復合材料的抗沖擊性能結果如圖3所示。

從圖3可以看到,隨著纖維體積含量增加,復合材料的抗沖擊性能也增大。這主要是由于纖維體積含量增加使得纖維之間的協同作用增強,彈丸的沖擊作用可以同時由更多的纖維來分擔,從而使得抗沖擊性能增加。

2.4　連續玄武巖纖維復合材料抗沖擊機理

彈丸對連續玄武巖纖維復合材料板的沖擊損傷如圖4所示。彈體進入一側有整齊的纖維斷頭。彈體未穿透靶板時,靶板背面有較大的鼓包,靶板沿厚度方向的后半部分出現明顯分層,靶板最外層被撕起一些小窄條,彈體射出面有明顯彈孔。

根據彈體侵徹復合材料靶板的現象及圖1靶板斷口的SEM照片可以看出,彈體侵徹過程較復雜。當彈體擊中靶板時,靶板表面的纖維首先由于受到剪切力的作用而斷裂。此后由于彈體的沖擊作用而在靶板內部產生張力波,張力波以兩個方向向外傳播。一是張力波以連續的脈沖沿纖維的軸向傳播,先受到沖擊的纖維與別的纖維通過基體樹脂及交錯點的相互作用,在很多纖維上擴散開來,能量在相當大的面積上被吸收;二是張力波沿靶板縱向傳播。張力波在靶板的織物和基體樹脂界面及靶板自由面之間產生連續反射,使壓應力變為拉應力,當拉應力值大于纖維和基體樹脂之間的粘接強度時,導致靶板分層,吸收彈體部分能量。由于纖維和基體材料應變波速不同,在纖維與基體材料有適中的結合強度時,會導致纖維從基體材料中“拔脫”,纖維“拔脫”所做的功將吸收彈體的部分能量。隨著彈體更深入侵徹,纖維受到拉伸變形以及靶板局部變形,彈體的動能轉化為纖維的彈性勢能和靶板局部變形做的切向功。當纖維的應變大于其極限應變時,則纖維斷裂。如果彈體仍具有多余的動能,則進一步侵徹下一鋪層,直至彈體動能完全被消耗。若靶板較薄,則被彈體穿透。通過以上分析可知,連續玄武巖纖維復合材料靶板受到彈體沖擊作用時的能量吸收形式主要為靶板局部變形、分層和纖維拉伸、剪切斷裂及纖維拔脫。

3　結　論

(1)對于連續玄武巖纖維增強的環氧樹脂基復合材料,用表面處理劑對纖維進行表面處理以后,纖維與環氧樹脂之間的結合力增大,但復合材料的抗沖擊性能反而下降,說明纖維與基體樹脂間有適中的結合強度時復合材料會有較佳的抗沖擊性能。

(2)織物面密度及纖維體積含量均會影響復合材料抗沖擊性能的大小。在織物面密度較小,纖維體積含量較高時,復合材料會具有更優的抗沖擊性能。

(3)彈丸對連續玄武巖纖維復合材料的沖擊過程較為復雜,其沖擊能量會通過復合材料靶板的局部變形、分層以及纖維拉伸、剪切斷裂和纖維從基體樹脂中“拔脫”而被吸收。