制備了連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料靶板,并進(jìn)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(jī)理。結(jié)果表明,表面處理會使復(fù)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(fù)合材料抗沖擊性能得到提高。復(fù)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(zhàn)爭條件的不斷改變,滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要的新型裝甲防護(hù)材料不斷被應(yīng)用于武器系統(tǒng)的防護(hù)領(lǐng)域。纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能,其比強(qiáng)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(yīng)”,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(dāng)?shù)那闆r下,復(fù)合材料的質(zhì)量較金屬材料大大減輕,從而使武器系統(tǒng)具有良好的機(jī)動性,對于裝甲車輛的輕量化具有重要意義[3]。

       連續(xù)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(qiáng)聚乙烯纖維等相比具有獨(dú)特的優(yōu)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(yōu)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(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其獨(dú)特的性能在冶金、化工、建筑、航空航天、兵器等領(lǐng)域?qū)⒕哂休^廣闊的應(yīng)用前景[6]。本試驗對基體樹脂種類與含量、纖維織物結(jié)構(gòu)以及纖維表面處理對玄武巖纖維復(fù)合材料抗沖擊性能的影響進(jìn)行了研究。

1　實驗部分

1.1　主要原材料和設(shè)備

       主要原材料:連續(xù)玄武巖纖維,φ7μm,上海俄金玄武巖纖維有限公司;環(huán)氧乙烯基樹脂,Arotech7121,濟(jì)南揚(yáng)程實業(yè)有限公司;硅烷偶聯(lián)劑,KH550,南京立派化工有限公司。

主要設(shè)備儀器:DSC-1纏繞機(jī),哈爾濱玻璃鋼研究所生產(chǎn);YX-100壓力成型機(jī),上海偉力機(jī)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(xù)玄武巖纖維放入處理劑溶液中浸泡,至規(guī)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(yīng)90min。

1.2.2　靶板制備

纖維在纏繞機(jī)上完成預(yù)浸料制備。將預(yù)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(fù)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(biāo)[7]。v50的計算公式:

 

式中,m為彈體質(zhì)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(zhì)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(jìn)行v50和比吸能性的測試。

2　結(jié)果與討論

2 .1　纖維表面處理對復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

在KH550處理劑中的雙官能團(tuán)可以分別與玄武巖纖維及環(huán)氧樹脂進(jìn)行反應(yīng)。纖維經(jīng)過表面處理以后,與基體材料的結(jié)合狀況會得到加強(qiáng),從而影響到復(fù)合材料的抗沖擊性能。纖維經(jīng)過表面處理以后所制備的復(fù)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(jìn)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(fā)現(xiàn),未經(jīng)表面處理的纖維復(fù)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(fā)生“拔脫”現(xiàn)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(jīng)過表面處理以后,纖維與基體材料的結(jié)合力大大增強(qiáng),在彈丸的瞬時沖擊作用下,纖維只是在靶板斷口處發(fā)生斷裂,這使得復(fù)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(xué)連接,在化學(xué)反應(yīng)達(dá)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(fù)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(fù)合材料的鋪層層數(shù)會增加,對復(fù)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(fù)合材料的抗沖擊性能呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于當(dāng)織物面密度較小時,在相同厚度條件下復(fù)合材料的鋪層層數(shù)較多。在受到彈丸沖擊作用時,由于同一彈丸所產(chǎn)生的沖擊波的傳播速率是一定的,因此在同一時間段內(nèi)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(shù)的增加,使得沖擊波在各層之間的反射次數(shù)增多,衰減作用加大,因而復(fù)合材料的抗沖擊性能也就較高。

2.3　纖維體積含量對復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

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

從圖3可以看到,隨著纖維體積含量增加,復(fù)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(xié)同作用增強(qiáng),彈丸的沖擊作用可以同時由更多的纖維來分擔(dān),從而使得抗沖擊性能增加。

2.4　連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料抗沖擊機(jī)理

彈丸對連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料板的沖擊損傷如圖4所示。彈體進(jìn)入一側(cè)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(xiàn)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(jù)彈體侵徹復(fù)合材料靶板的現(xiàn)象及圖1靶板斷口的SEM照片可以看出,彈體侵徹過程較復(fù)雜。當(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生張力波,張力波以兩個方向向外傳播。一是張力波以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播,先受到?jīng)_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(kuò)散開來,能量在相當(dāng)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(chǎn)生連續(xù)反射,使壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力值大于纖維和基體樹脂之間的粘接強(qiáng)度時,導(dǎo)致靶板分層,吸收彈體部分能量。由于纖維和基體材料應(yīng)變波速不同,在纖維與基體材料有適中的結(jié)合強(qiáng)度時,會導(dǎo)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(zhuǎn)化為纖維的彈性勢能和靶板局部變形做的切向功。當(dāng)纖維的應(yīng)變大于其極限應(yīng)變時,則纖維斷裂。如果彈體仍具有多余的動能,則進(jìn)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(xù)玄武巖纖維復(fù)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(jié)　論

(1)對于連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料,用表面處理劑對纖維進(jìn)行表面處理以后,纖維與環(huán)氧樹脂之間的結(jié)合力增大,但復(fù)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(jié)合強(qiáng)度時復(fù)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(fù)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(fù)合材料會具有更優(yōu)的抗沖擊性能。

(3)彈丸對連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料的沖擊過程較為復(fù)雜,其沖擊能量會通過復(fù)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。