碳化硅納米纖維-聚芳酰胺短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板的制備及性能研究.pdf

1、隨著武器的進(jìn)一步發(fā)展，其殺傷性能大大提高，對(duì)防彈材料的防彈性能的要求也越高。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，部隊(duì)和裝備的機(jī)動(dòng)性越來(lái)越重要，防彈材料的輕質(zhì)化一直是防彈材料開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。陶瓷由于其高的硬度、壓縮強(qiáng)度和較低的密度，已經(jīng)成為裝甲領(lǐng)域不可缺少的防彈材料。由于陶瓷易碎裂，在作為防彈裝甲材料時(shí)，一般將防彈陶瓷通過(guò)粘合劑粘合在背襯材料上。陶瓷面吸收絕大部分的彈體動(dòng)能，并導(dǎo)致彈心的碎裂或變形，背襯材料吸收彈體剩余動(dòng)能和陶瓷面碎裂碎片的動(dòng)能。目前使用的典型

2、防彈陶瓷有B4C、SiC、TiB2、Si3N4、Al2O3等，其中防彈性能最好的是B4C陶瓷，但其價(jià)格昂貴。SiC陶瓷材料具有低密質(zhì)輕的特點(diǎn)，其防彈性能稍次于B4C陶瓷，但價(jià)格適中，對(duì)鋼心彈和高能步槍彈有很好的防護(hù)作用，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中比較理想的防護(hù)材料。但陶瓷容易碎裂，需要配合背襯材料使用，且不能防多次彈擊。近年來(lái)，人們對(duì)高功能纖維在復(fù)合防彈板中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，探討了各類高功能纖維材料以纖維或織物的形式通過(guò)樹(shù)脂粘結(jié)而成的層合板的力

3、學(xué)性能及防彈性能，利用柔性纖維斷裂應(yīng)變高的特點(diǎn)有效地吸收沖擊動(dòng)能，從而達(dá)到防彈的效果。其特點(diǎn)是纖維或紗線層數(shù)多，纖維含量高，高功能纖維用量大，因而導(dǎo)致了高成本。但SiC納米纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料防彈性能方面的研究、纖維混雜增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合防彈板方面的制備及性能研究還沒(méi)有報(bào)道。
　　 本研究以碳納米管為原料，通過(guò)CVD化合法制取了高質(zhì)量的β-SiC納米纖維，并以此為原料制成了SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合防彈

4、板。通過(guò)對(duì)該復(fù)合板力學(xué)性能及防彈性能的研究，對(duì)混雜纖維的增強(qiáng)效果進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，獲得了比較理想的結(jié)果。該復(fù)合板利用兩種不同性能特點(diǎn)的纖維進(jìn)行混雜，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使增強(qiáng)纖維的性能達(dá)到增強(qiáng)補(bǔ)缺的效果，使復(fù)合板在較低纖維體積含量的條件下就能獲得較好的力學(xué)性能和防彈性能，具有很高的使用價(jià)值和很強(qiáng)的可操作性。
　　 利用碳納米管和硅粉為原料，在氬氣環(huán)境下采用CVD化合法可以合成高質(zhì)量β-SiC納米纖維。在采用該方法制備SiC的生產(chǎn)工藝中，

5、硅碳比越高(即硅過(guò)量越多)，所得SiC的產(chǎn)率越高：延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可以提高SiC的產(chǎn)率，但過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間將會(huì)使產(chǎn)物中硅的含量大量增加，而且β-SiC向α-SiC轉(zhuǎn)化會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的過(guò)度延長(zhǎng)而大幅度增長(zhǎng)；SiC的產(chǎn)率隨著合成溫度的升高增大，但溫度越高，β-SiC應(yīng)更容易向α-SiC轉(zhuǎn)化。為了限制β-SiC向α-SiC的轉(zhuǎn)化并節(jié)省能源，硅碳比最好控制在10:1左右，保溫時(shí)間為60min左右，合成溫度為1900℃左右。通過(guò)分析與推演，建立了反應(yīng)動(dòng)

6、力學(xué)模型，在反應(yīng)體系中，擴(kuò)散邊界層內(nèi)及SiC產(chǎn)物層中硅蒸汽的濃度梯度均為常數(shù)，硅碳反應(yīng)為一級(jí)單向反應(yīng)，反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型能夠很好地吻合。
　　 環(huán)氧樹(shù)脂的固化主要與固化溫度有關(guān)，而固化時(shí)間與壓力會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程中樹(shù)脂內(nèi)部溫度的傳輸有關(guān)。通過(guò)測(cè)試與分析，探討了制備工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合板質(zhì)量的影響。溫度越高，越有利于環(huán)氧樹(shù)脂的固化；固化時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于熱量向樹(shù)脂體內(nèi)部傳輸，從而有利于其固化；

7、加大壓力可以使樹(shù)脂大分子有更緊密的接觸，還有利于樹(shù)脂體內(nèi)氣泡的排除，對(duì)熱量的傳輸也起到了一定的作用。環(huán)氧樹(shù)脂的固化溫度應(yīng)在140℃以上，其固縮率應(yīng)在1.25％左右。環(huán)氧樹(shù)脂固化的具體工藝參數(shù)與樹(shù)脂體的厚度有關(guān)，不同厚度的樹(shù)脂及以其為基體的復(fù)合材料的固化工藝應(yīng)選擇不同的工藝參數(shù)。
　　 通過(guò)假設(shè)與推導(dǎo)，建立了纖維增強(qiáng)復(fù)合板在纖維均勻分布條件下的拉伸力學(xué)理論模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。單一纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合板的拉伸彈性模量

8、隨著纖維體積含量的增大；纖維的模量越大，復(fù)合板的拉伸彈性模量越大；纖維的泊松比增大，復(fù)合板的拉伸彈性模量增大。纖維的體積含量越小，纖維的泊松比越大，則復(fù)合板的泊松比越接近于樹(shù)脂基體的泊松比。SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板拉伸彈性模量與兩種纖維的體積百分率、纖維的泊松比及纖維與基體的彈性模量相關(guān)。增大增強(qiáng)紆維在復(fù)合板中的體積百分率有利于提高復(fù)合板的拉伸性能；當(dāng)增強(qiáng)纖維的總體積含量一定時(shí)，增加Twaron短纖的體積百

9、分比有利于提高復(fù)合板的斷裂伸長(zhǎng)率，而增大SiC納米纖維的體積百分含量則有利于提高復(fù)合板的斷裂應(yīng)力。當(dāng)混雜纖維中Twaron短纖的體積百分比與SiC納米纖維的體積百分比接近時(shí)，復(fù)合板的斷裂比功較大，混雜纖維的增強(qiáng)效果顯著，此時(shí)兩種纖維的混雜具有較好的正混雜效應(yīng)。SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板隨著板材厚度的增大，其拉伸斷裂應(yīng)力略有下降，斷裂伸長(zhǎng)率略有增大，而斷裂比功有所下降。
　　 通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建

10、立并驗(yàn)證了SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板的剪切力學(xué)理論模型。纖維的總體積百分比越大，復(fù)合板的剪切模量越高；樹(shù)脂基體的剪切模量越大，則復(fù)合板的剪切模量越大；剪切模量小的纖維的體積含量越大，復(fù)合板的剪切模量越小。但影響復(fù)合板剪切性能的主要因素并不是增強(qiáng)纖維，而是環(huán)氧樹(shù)脂基體本身的剪切性能，Twaron短纖與SiC納米纖維混雜增強(qiáng)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板的剪切性能有一定的正混雜效應(yīng)。
　　 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，對(duì)SiC

11、納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行了研究。在SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板中，SiC納米纖維所起的作用主要在于增強(qiáng)，Twaron短纖所起的作用主要在于提高復(fù)合板的壓縮應(yīng)變能力。SiC納米纖維體積含量越大，復(fù)合板的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力越大；Twaron短纖體積含量越大，復(fù)合板的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)變?cè)酱蟆．?dāng)復(fù)合板中增強(qiáng)纖維的總體積含量一定時(shí)，SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂

12、復(fù)合板的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮模量隨Twaron短纖體積含量的增大而減小。當(dāng)復(fù)合板中Twaron短纖和SiC納米纖維的體積百分含量相近時(shí)，其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮吸能最大；隨著增強(qiáng)纖維總體積含量的增大，復(fù)合板的壓縮吸能顯著提高。其能量吸收率隨著復(fù)合板厚度的增大而顯著增大。
　　 環(huán)氧樹(shù)脂基體在經(jīng)過(guò)SiC納米纖維與Twaron短纖的混雜增強(qiáng)后，其高應(yīng)變壓縮性能得到了大幅度的提升，增強(qiáng)效果顯著。增強(qiáng)纖維總體積含量增大，復(fù)合板的高應(yīng)變率壓縮能量吸收率隨之增大

13、。SiC納米纖維與Twaron短纖的體積含量比為1.5左右時(shí)達(dá)到最好的增強(qiáng)效果。當(dāng)增強(qiáng)纖維的總體積含量一定時(shí)，混雜增強(qiáng)復(fù)合板的壓縮模量隨著SiC納米纖維與Twaron短纖的體積含量比的增大而增大。當(dāng)增強(qiáng)纖維的總體積含量一定時(shí)，SiC納米纖維體積含量越大，復(fù)合板的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變?cè)叫?。?dāng)兩種纖維的體積比一定時(shí)，增強(qiáng)纖維的總體積含量越大，其動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變?cè)酱?。?dāng)SiC納米纖維的體積含量接近或略大于Twaron短纖的體積含量時(shí)，復(fù)合板具有最好的動(dòng)態(tài)

14、壓縮吸能效果。SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)對(duì)提高環(huán)氧樹(shù)脂基體的動(dòng)態(tài)壓縮性能有顯著的增強(qiáng)效果，其混雜效應(yīng)為正效應(yīng)。在復(fù)合板厚度達(dá)到3mm以上時(shí)，其厚度的增大對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力及應(yīng)變的影響很小。當(dāng)厚度小于3mm時(shí)，復(fù)合板的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)隨著厚度的增大而不斷增大。增強(qiáng)纖維的總體積含量越大，則比能量吸收隨復(fù)合板厚度增大的幅度越大。
　　 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，對(duì)SiC納米纖維/Twaron短纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板的抗沖擊性能進(jìn)行