随着武器的进一步发展,其杀伤性能大大提高,对防弹材料的防弹性能的要求也越高。在现代战争中,部队和装备的机动性越来越重要,防弹材料的轻质化一直是防弹材料开发的一个重点。陶瓷由于其高的硬度、压缩强度和较低的密度,已经成为装甲领域不可缺少的防弹材料。由于陶瓷易碎裂,在作为防弹装甲材料时,一般将防弹陶瓷通过粘合剂粘合在背衬材料上。陶瓷而吸收绝大部分的弹体动能,并导致弹心的碎裂或变形,背衬材料吸收弹体剩余动能和陶瓷而碎裂碎片的动能。目前使用的典型防弹陶瓷有B1C、SiC、TiB2、Si2N1、Al2O3等,其中防弹性能最好的是B1C陶瓷,但其价格昂贵。SiC陶瓷材料具有低密质轻的特点,其防弹性能稍次丁B1C陶瓷,但价格适中,对钢心弹和高能步枪弹有很好的防护作用,是现代战争中比较理想的防护材料。但陶瓷容易碎裂,需要配合背衬材料使用,且不能防多次弹击。近年来,人们对高功能纤维在复合防弹板的应用进行了大量的研究,探讨了各类高功能纤维材料以纤维或织物的形式通过树脂粘结而成的层合板的力学性能及防弹性能,利用柔性纤维断裂应变高的特点有效地吸收冲击动能,从而达到防弹的效果。其特点是纤维或纱线层数多,纤维含量高,高功能纤维用量大,因而导致了高成本。但SiC纳米纤维增强树脂基复合材料防弹性能方面的研究、纤维混杂增强树脂基复合防弹板方面的制备及性能研究还没有报道。本研究以碳纳米管为原料,通过CVD化合法制取了高质量的βSiC纳米纤维,并以此为原料制成了SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂基复合防弹板。通过对该复合板力学性能及防弹性能的研究,对混杂纤维的增强效果进行了测试和验证,获得了比较理想的结果。该复合板利用两种不同性能特点的纤维进行混杂,通过结构设计使增强纤维的性能达到增强补缺的效果,使复合板在较低纤维体积含量的条件下就能获得较好的力学性能和防弹性能,具有很高的使用价值和很强的可操作性。利用碳纳米管和硅粉为原料,在氩气环境下采用CVD化合法可以合成高质量β-SiC纳米纤维。在采用该方法制备SiC的生产工艺中,硅碳比越高(即硅过量越多),所得SiC的产率越高：延长反应时间可以提高SiC的产率,但过长的反应时间将会使产物中硅的含量大量增加,而且β-SiC向α-SiC转化会随着反应时间的过度延长而大幅度增长；Sic的产率随着合成温度的升高增大,但温度越高,β—SiC应更容易向α-SiC转化。为了限制β-SiC向α-SiC的转化并节省能源,硅碳比最好控制在10：1左右,保温时间为60min左右,合成温度为1900℃左右。通过分析与推演,建立了反应动力学模型,在反应体系中,扩散边界层内及SiC产物层中硅蒸汽的浓度梯度均为常数,硅碳反应为一级单向反应,反应速率与温度之间的关系是比较复杂的指数关系。实测数据与模型能够很好地吻合。环氧树脂的固化主要与固化温度有关,而固化时间与压力会对环氧树脂固化过程中树脂内部温度的传输有关。通过测试与分析,探讨了制备工艺参数对复合板质量的影响。温度越高,越有利于环氧树脂的固化；固化时间越长,越有利于热量向树脂体内部传输,从而有利于其固化；加大压力可以使树脂大分子有更紧密的接触,还有利于树脂体内气泡的排除,对热量的传输也起到了一定的作用。环氧树脂的固化温度应在140℃以上,其固缩率应在1.25%左右。环氧树脂固化的具体工艺参数与树脂体的厚度有关,不同厚度的树脂及以其为基体的复合材料的固化工艺应选择不同的工艺参数。通过假设与推导,建立了纤维增强复合板在纤维均匀分布条件下的拉伸力学理论模型,并通过实验测试对模型进行了验证。单一纤维增强树脂基复合板的拉伸弹性模量随着纤维体积含量的增大；纤维的模量越大,复合板的拉伸弹性模量越大；纤维的泊松比增大,复合板的拉伸弹性模量增大。纤维的体积含量越小,纤维的泊松比越大,则复合板的泊松比越接近于树脂基体的泊松比。SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板拉伸弹性模量与两种纤维的体积百分率、纤维的泊松比及纤维与基体的弹性模量相关。增大增强纤维在复合板中的体积百分率有利于提高复合板的拉伸性能；当增强纤维的总体积含量一定时,增加Twaron短纤的体积百分比有利于提高复合板的断裂伸长率,而增大SiC纳米纤维的体积百分含量则有利于提高复合板的断裂应力。当混杂纤维中Twaron短纤的体积百分比与SiC纳米纤维的体积百分比接近时,复合板的断裂比功较大,混杂纤维的增强效果显著,此时两种纤维的混杂具有较好的正混杂效应。SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板随着板材厚度的增大,其拉伸断裂应力略有下降,断裂伸长率略有增大,而断裂比功有所下降。通过数学推导与实验验证,建立并验证了SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板的剪切力学理论模型。纤维的总体积百分比越大,复合板的剪切模量越高；树脂基体的剪切模量越大,则复合板的剪切模量越大；剪切模量小的纤维的体积含量越大,复合板的剪切模量越小。但影响复合板剪切性能的主要因素并不是增强纤维,而是环氧树脂基体本身的剪切性能,Twaron短纤与SiC纳米纤维混杂增强对环氧树脂复合板的剪切性能有一定的正混杂效应。通过实验测试与分析,对SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板的准静态及动态压缩性能进行了研究。在SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板中,SiC纳米纤维所起的作用主要在于增强,Twaron短纤所起的作用主要在于提高复合板的压缩应变能力。SiC纳米纤维体积含量越大,复合板的准静态压缩应力越大；Twaron短纤体积含量越大,复合板的准静态压缩应变越大。当复合板中增强纤维的总体积含量一定时,SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板的准静态压缩模量随Twaron短纤体积含量的增大而减小。当复合板中Twaron短纤和SiC纳米纤维的体积百分含量相近时,其准静态压缩吸能最大；随着增强纤维总体积含量的增大,复合板的压缩吸能显著提高。其能量吸收率随着复合板厚度的增大而显著增大。环氧树脂基体在经过SiC纳米纤维与Twaron短纤的混杂增强后,其高应变压缩性能得到了大幅度的提升,增强效果显著。增强纤维总体积含量增大,复合板的高应变率压缩能量吸收率随之增大。SiC纳米纤维与Twaron短纤的体积含量比为1.5左右时达到最好的增强效果。当增强纤维的总体积含量一定时,混杂增强复合板的压缩模量随着SiC纳米纤维与Twaron短纤的体积含量比的增大而增大。当增强纤维的总体积含量一定时,SiC纳米纤维体积含量越大,复合板的动态压缩应变越小。当两种纤维的体积比一定时,增强纤维的总体积含量越大,其动态压缩应变越大。当SiC纳米纤维的体积含量接近或略大于Twaron短纤的体积含量时,复合板具有最好的动态压缩吸能效果。SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强对提高环氧树脂基体的动态压缩性能有显著的增强效果,其混杂效应为正效应。在复合板厚度达到3mm以上时,其厚度的增大对动态压缩应力及应变的影响很小。当厚度小于3mm时,复合板的动态压缩应随着厚度的增大而不断增大。增强纤维的总体积含量越大,则比能量吸收随复合板厚度增大的幅度越大。通过实验测试与数据分析,对SiC纳米纤维/Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板的抗冲击性能进行了研究。吸能值在SiC纳米纤维与Twaron短纤的体积比为1：1左右时为最高；随着增强纤维总体积含量的增大,复合板的低速冲击吸能值增大。SiC纳米纤维／Twaron短纤混杂增强环氧树脂复合板具有较好的防弹性能,随着厚度的增大,复合板冲击吸能增大。SiC纳米纤维和Twaron短纤混杂增强不仅可以提高环氧树脂基复合板的强度和伸长,还可以增大复合板的吸能面积,在抗冲击性方面其混杂效应为正。