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(dòng)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(dòng)性,對(duì)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(diǎn)[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(yàn)對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算

v50彈道極限速度是評(píng)估材料抗沖擊性能的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。v50的計(jì)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(jì)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(yàn)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(duì)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(huì)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(duì)纖維表面進(jìn)行處理以后,抗沖擊性能有所下降,而處理時(shí)間對(duì)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(shí),靶板斷口處的纖維會(huì)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(shí)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(shí)間對(duì)于處理效果的影響較小,因此對(duì)其抗沖擊性能的影響也就較小。

2.2　織物面密度對(duì)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(huì)增加,對(duì)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(shí),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(shí),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(shí)間段內(nèi)會(huì)有較多的纖維參與對(duì)彈丸沖擊能量的吸收,同時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí),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(shí),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(gè)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(cuò)點(diǎn)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(shí),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(shí),會(huì)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(dòng)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(shí),則纖維斷裂。如果彈體仍具有多余的動(dòng)能,則進(jìn)一步侵徹下一鋪層,直至彈體動(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)復(fù)合材料會(huì)有較佳的抗沖擊性能。

(2)織物面密度及纖維體積含量均會(huì)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(shí),復(fù)合材料會(huì)具有更優(yōu)的抗沖擊性能。

(3)彈丸對(duì)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(huì)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。