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邁可諾技術(shù)有限公司

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    Kevlar纖維UD片材復(fù)合材料的防dan性能:優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)制解析

    2025-2-11 閱讀(392)

    文章基本信息

    • 標(biāo)題:Kevlar纖維UD片材復(fù)合材料的防dan性能

    • 作者:閆衛(wèi)星、郭艷文、徐行浩、黃曉梅、曹海建

    • 期刊:《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》2025年第42卷第1期

    •  

    研究背景與意義

    隨著國(guó)際局勢(shì)緊張,防dan材料需求激增,輕量化、高防護(hù)性能成為核心需求。Kevlar纖維因其高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性,成為防dan領(lǐng)域的理想材料。然而,其表面光滑、與樹(shù)脂基體結(jié)合性差的問(wèn)題限制了應(yīng)用。本文通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂配比、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),探索該Kevlar纖維UD片材復(fù)合材料的防dan性能提升方案。

    實(shí)驗(yàn)方法與關(guān)鍵材料

    1. 材料

    • Kevlar纖維(400D,單絲強(qiáng)度18cN/dtex)

    • 基體樹(shù)脂:水性聚氨酯(固含量30wt%)+ 水性丙烯酸樹(shù)脂(固含量30wt%)

    • 制備工藝:濕法纏繞技術(shù) + 熱壓成型(熱壓機(jī)(Carver 4386,邁可諾科有限公司)

    • 樣品設(shè)計(jì)

      • 通過(guò)調(diào)整樹(shù)脂配比(如1:2、2:1等)、樹(shù)脂含量(10wt%-32wt%)及熱壓參數(shù)(壓力、溫度、時(shí)間),制備不同復(fù)合靶板。

      • 結(jié)構(gòu)優(yōu)化:測(cè)試4種疊層結(jié)構(gòu)(如8UD/4UD/8UD)的防dan性能。

    • 測(cè)試方法

      • 參照GA 141—2010《jing-用防dan衣》標(biāo)準(zhǔn),使用7.62×17子d(速度445±10m/s)進(jìn)行彈道侵徹實(shí)驗(yàn)。

      • 測(cè)量背凸深度(BFS)和貫穿層比例,分析破壞形貌與能量吸收機(jī)制。

    • 核心研究結(jié)果

      1. 樹(shù)脂配比的影響

      • 配比:水性聚氨酯與水性丙烯酸樹(shù)脂質(zhì)量比 1:2 時(shí)防dan性能優(yōu)良。

      • 原因

        • 丙烯酸樹(shù)脂占比過(guò)低:界面粘結(jié)差,纖維滑移,能量吸收不足。

        • 丙烯酸樹(shù)脂占比過(guò)高:基體力學(xué)性能下降,應(yīng)力傳遞不均。

      2. 樹(shù)脂含量的影響

      • 含量19wt% 時(shí)抗凹陷性能佳(BFS最小為14mm)。

      • 原因

        • 含量過(guò)低:纖維未被全部包裹,易脫粘。

        • 含量過(guò)高:纖維被過(guò)度束縛,脆性斷裂增加,能量吸收減少。

      3. 熱壓工藝的影響

      • 參數(shù):壓力10MPa、溫度130℃、時(shí)間20分鐘。

      • 原因

        • 過(guò)低:樹(shù)脂流動(dòng)性差,界面結(jié)合不良。

        • 過(guò)高:樹(shù)脂擠出纖維間隙,界面性能劣化。

      4. 防dan機(jī)制分三階段

      1. 剪切破壞:子d初速高,纖維橫向剪切失效(彈孔直徑≈7mm)。

      2. 拉伸斷裂:子d變形后接觸面積增大,纖維軸向拉伸斷裂(彈孔直徑≈11mm)。

      3. 拉伸變形:應(yīng)力波擴(kuò)散,纖維拉伸變形吸收剩余能量(背凸面積達(dá)48.7cm²)。

      5. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      • 結(jié)構(gòu)8UD/4UD/8UD 疊層設(shè)計(jì)(前8UD抗沖擊,中間4UD增強(qiáng)變形吸能,后8UD限制背凸)。

      • 優(yōu)勢(shì):平衡抗凹陷性能(BFS≈18mm)與損傷容限(貫穿層比例較低)。

      結(jié)論與實(shí)用價(jià)值

      1. 工藝優(yōu)化:樹(shù)脂配比1:2、含量19wt%、熱壓參數(shù)10MPa/130℃/20min為推薦組合。

      2. 設(shè)計(jì)啟示:通過(guò)多層疊合結(jié)構(gòu)(如8UD/4UD/8UD)可顯著提升防dan性能,兼顧柔性與防護(hù)。

      3. 應(yīng)用前景:為柔性防dan衣、輕量化裝甲等提供理論支持,推動(dòng)高性能復(fù)合材料在民用防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

      相關(guān)研究擴(kuò)展

      • 對(duì)比材料:UHMWPE纖維雖輕但抗蠕變差,Kevlar在抗凹陷和耐溫性上更具優(yōu)勢(shì)。

      • 未來(lái)方向:結(jié)合仿生設(shè)計(jì)(如四角星背凸結(jié)構(gòu))或引入納米改性樹(shù)脂,進(jìn)一步提升界面性能。

      參考文獻(xiàn):文中引用了30余篇國(guó)內(nèi)外研究,涵蓋防dan機(jī)制、樹(shù)脂改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等領(lǐng)域,如Yang等對(duì)UHMWPE的研究、周慶等對(duì)層間混雜裝甲的分析等。

     



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