防弹碳纤维复合材料

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前
言
求开拓更广泛、 更灵活、 价格更低廉的原材料来源， 以扩大可混杂的纤维配伍， 甚至向 “超混杂” 的方向 开拓， 以推动复合材料学科的发展。

碳纤维具有重量轻、 强度高、 刚度大、 防腐蚀和 耐高温等重要优点， 且易被多种树脂溶液浸润， 故在 先进复合材料领域得到了广泛的应用。但碳纤维有 一个严重的缺点， 就是延伸率低。如高强的碳纤维 为 1.4% ， 而高模的碳纤维更差， 仅 0.5% 。这导致 其复合材料制品或结构。耐冲击的能力极差， 更谈 不上防弹和防爆了。 其 然而， 广泛用于玻璃钢工业的 E 玻璃纤维， 延伸率为 4.8% 。比防弹用的 Kevlar 纤维 3.5% 的 延 伸 率 优 越， 与目前出现的超高分子量聚乙烯 （UHMPE） 防弹材料的延伸率相媲美。在上个世纪 把碳纤维和玻 70 ~ 80 年代有不少科学工作者提出， 璃纤维以不同方式混合来制造先进复合材料， 称为 混杂复合材料。这使先进复合材料的造价降低， 而 综合性能得到大幅度提高。 文献 ［1， 分别研究了碳纤维混杂玻璃纤维增 2］ 强热固性环氧树脂的拉伸性能和增强热塑性聚砜树 脂的弯曲性能， 得到了类似图 1 所示的载荷与变形 关系的曲线。从图中看到， 新得到的混杂纤维增强 介于 树脂的曲线 H 具有较大的刚性和较高的强度， 碳纤维曲线 C 与玻璃纤维 G 之间。其韧性很好， 容 伤性优， 有较大的耐冲击性能， 具备了防弹能力。作 为首选， 本文相继研究和开发出碳纤维与玻璃纤维 混杂的复合材料防弹和防爆炸物高速撞击的板材， 证实了碳纤维的防护能力。为了使复合材料满足反 恐防暴的社会需要， 在防弹、 排爆的领域中得到更好 的应用， 本文对目前几种常用而价格不高的但具有 一定刚度、 强度和延伸率合适的纤维作了些探讨， 以
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结束语
在上述防弹复合材料中 No . 2 和 No . 4 是采用混
杂复合材料技术制成的。其中尤以 No . 2 用强度、 刚 度好但脆性大和韧性良好的 E 玻璃纤维混杂的防 弹效果最好， 而且推广应用于防爆板方面也取得一 定成绩。采用混杂复合材料技术能获得性能更高的 防爆材料， 但研发时须试验验证。因为混杂的效果 不一定都是正效应， 有时也可能出现负效应， 又或者 所选的原材料对某些工况、 某些介质不适应时便可 能出现零效应， 即毫无贡献。 参考文献
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分析讨论
NO . l 高弹板全部使用优质的 E 玻璃纤维布制
成， 其延伸率高、 弹性好。但由于它的刚度和强度都 较低， 抵挡不住弹头强大冲量的撞击， 能量还未传递 分散， 便被穿透， 所以板材没发生其他破坏。 NO . 2 碳纤高弹板是使用碳布与 E 玻璃纤维布 混杂压制的 C / G 复合材料。其凸面表层只用了 6 层 l2K 强度达 70000kg / cm2 的碳纤维布， 其余全为 E 玻璃纤维布， 便可将弹头遏制在碳-玻的界面上。实 质上， 弹头只把 l.2mm 的碳纤维层击穿， 便牢固地 嵌在玻璃纤维层上， 并在驻弹处两侧掀起了 90 X 60 （ a） 表示了从板中取出的 X l5mm 的分层空间。图 3 弹头损坏的形状。它被刚强的碳纤维复合材料墩成 厚度为 3.4 ~ 4.4mm 的饼状物， 内部 Pb Cu 壳开裂， 芯四 溢。根 据 这 破 坏 特 征 分 析， 弹头进入刚强的 CFRP 层时要克服很大的材料抗力和摩擦力而使弹 头迅速加热， 使 Cu 被软化， 整个弹头逐 Pb 被熔化， 渐墩粗至饼状， 使速度大为下降。速度的锐减使动 FRP / CM 2004 . NO . 5
收稿日期：2003-12-19 区敏果参加了本文研制工作。
图1
混杂复合材料特征
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! "#
实
试
验
件
按反恐防暴产品的设计要求， 试件是一块微弯 曲的板， 其形状和尺寸如图 2 所示。
图2
试件形状和尺寸
作者简介：李家驹（1936 - ） ，男，教授，从事新型复合材料研制、推广应用和材料性能测试工作。
FRP / CM 2004 . NO . 5
图3
弹头的各种破坏模式
玻璃钢 / 复合材料 2004 年第 5 期 11 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
玻璃钢 / 复合材料 2004 年第 5 期 9 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
为研究比较几种常见纤维及其混杂后的防弹能 力， 共设计了四个不同品种的板材进行实验。其使 用增强材料情况如表 l 所示。
表l
编号 试件名称 增强材使 用情况 板厚 / mm 板重 / g 试件中弹 破坏情况 实验结果 其他破坏 穿透 NO. l 高弹板 优质 E 玻纤布 ll.3 860 除着 弹 处 被 击 穿 外 未 见 分层 未穿透
劲。不过， 层内的 UHMPE 纤维几乎没被树脂浸渍。 故当弹头沿着这一硬!软!硬!软的介质前进时是 很容易按照光学的折射原理而产生拐弯的。当转 不再前进而停下， 而剩余 90 后弹头阻力面积增大， 的动能和中弹后进入材料猛烈摩擦产生的热一下子 在停下 （驻弹） 的地方急剧释放， 使两侧材料迅速受 热膨胀而分层并使外层 （即底部） 的纤维也胀断。如 欲使底层纤维保护好， 目前板厚 1.1mm 是不够的， 要多铺设一些 UHMPE 布。板厚设计在 15 ~ 16mm 较合适。
大垂直压力为 l3kg / cm ， 分 3 ~ 4 次加压， 最后一次 正好到达板的凝胶期。这样才能使基体充分浸润各 层布的纤维， 挤掉多余树脂， 并排除气泡， 使板材有 较高的纤维含量和较好的力学性能， 提高了防弹能 力。板材固化后置于 40 ~ 50C 的恒温箱内热处理 2 以消除内应力。制成的各板件的重量和厚度 ~ 31， 分别列于表 l 中。把板先后置于射击台上， 用 79 式 射距均 7.62mm 微型冲锋枪以 0 垂直入射板的凸面， 为 l0m。实验结果见表 l。
ANTI-BULLET CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS LI Jia-ju， ZHANG Mao-an （Guangzhou Kopou Co . ，Ltd . ，Guangzhou 510290，China） Abstract：This paper mainly introduces using the hybrid technigue of composites to solve the problem in anti bullet and explosion applications . Two kinds of effective bulletproof composites are reviewed . The hybrid technigue of composites is the way to obtain new materials of anti-bullet and impact resistance to high speed exploding object . Key words：composites； hybrid technigue； bulletproof . """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （上接第 8 页） sessile drop methods . The surface energy is estimated by using S. Wu s harmonic mean method . The surface energy is cal（ Tg）by Lieng-Huang Lee s formula . The main unity between estimated and exculated from glass transiation temperature perimental values is indicated by the results . These values explaining the estimated method to be used is reliable . （ Tg） Key words：critical surface tension； solid surface energy； glass transition temperature
防弹碳纤维复合材料 2004 年 9 月 l0 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
T-700， l2K 碳布混杂 E 玻纤 布 ll.l 8l0 弹头留在板内， 该处局部
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板材加工及试验 板件按铺层设计在模具中铺设后合模加压。最
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能下降转变成热能， 而弹头的另一部分动能却被玻 璃纤维复合材料所分散传播也会转变为热量。上述 的所有热量可能都是在微-毫秒级的时间内产生的。 它们使驻弹处的材料迅速升温而产生 “热爆” 最终导 致它们分层， 从而把弹头的动能耗散掉。这形成了 C / G 混杂复合材料的防弹机理。这是它们之中任何 单一材料所无法完成的， 由于协同互补才产生这优 异的混杂效应。 NO . 3 高强板是用厚约 0.95mm 的 EJ-l20 型单向 高强玻璃纤维布压制成的， 纤维的方向沿板的长度 方向铺放。其强度可达 28000 ~ 30000kg / cm2［3］ 。该 板被射击后不像 NO . l 板那样被穿透， 但在板后凹 起的一面已被掀起直径 5mm 左右的小鼓包， 包顶纤 维断裂。如稍稍拨开断纤， 则见弹头留在板内。乍 一看， 以为弹头正欲穿板而出。当把材料拨开除去， 发现弹头的 Cu 壳处发生严重撕裂成花冠状， Pb 芯 成喷出状， 整个弹头转了 90 ， 如图 3 （ b） 所示。虽然