【摘 要】
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纤维复合材料因具有较好的力学性能和低密度的特点,以及材料与结构可设计的优点而广泛应用在先进材料领域。当代对个体防护的复合材料研究重点是在减重的前提下提高材料的防护性能,然而单一纤维增强树脂基复合材料的性能进一步提高的空间有限。本文基于复合材料结构设计与性能设计一体化的原则,设计选择高耐热高模量的对位芳香族聚酰胺(Kevlar)纤维和高韧性低密度的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强体,以醋
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纤维复合材料因具有较好的力学性能和低密度的特点,以及材料与结构可设计的优点而广泛应用在先进材料领域。当代对个体防护的复合材料研究重点是在减重的前提下提高材料的防护性能,然而单一纤维增强树脂基复合材料的性能进一步提高的空间有限。本文基于复合材料结构设计与性能设计一体化的原则,设计选择高耐热高模量的对位芳香族聚酰胺(Kevlar)纤维和高韧性低密度的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强体,以醋酸乙烯酯(EVA)和增韧改性的酚醛树脂作为基体,氧化铝陶瓷片为中间插层,进行混杂铺层结构复合材料制备。采用低速和高速冲击实验测试分析了复合材料的缺口冲击强度、穿透极限V50、比吸能(SEA)和背凹深度(BFS)的宏观性能,采用扫描电镜(SEM)观察分析了不同混杂结构高速冲击破坏后的形貌和纤维断裂方式。结果表明,单一UHMWPE纤维增强改性酚醛树脂基复合材料的V50值达到606 m/s,SEA达到79 J?m~2/kg,但出现较大的背凸;单一Kevlar纤维增强EVA树脂基复合材料V50值可以达到562.9 m/s,SEA达到40 J?m~2/kg,背凸比单一UHMWPE纤维增强改性酚醛树脂基复合材料的小;在保证面密度相同的情况下,随着氧化铝陶瓷片层的加入,陶瓷插层复合材料的SEA和V50处于逐渐下降趋势,但背凸高度明显减小;Kevlar/UHMWPE层间混杂结构复合材料的V50最大可以达到906 m/s,比吸能最大可以达到值76 J?m~2/kg,背凸高度小于8 mm,两种纤维混杂结构复合材料抗高速冲击性能高于单一纤维复合材料的性能,说明纤维混杂结构具有正的混杂效应。高拉伸强度和高弹性模量的Kevlar纤维/EVA树脂复合材料在受到高速冲击作用时主要通过纤维断裂和剪切吸能,而高拉伸强度和高形变能力的UHMWPE纤维/改性酚醛树脂复合材料主要通过纤维断裂、高拉伸变形和层间开裂吸能,两者之间的协同效应为混杂纤维复合材料抗高速冲击的作用机制。
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