成型压力对碳化硼_芳纶防弹插板的性能影响_王华.pdf

成型压力对碳化硼/芳纶防弹插板的性能影响DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.016成型压力对碳化硼/芳纶防弹插板的性能影响王华1，2，王希杰1，2，师慧1，2，韩笑1，2(1.西安康本材料有限公司，西安710089;2.高性能碳纤维制造及应用国家地方联合工程研究中心，西安710089)摘要:由陶瓷和纤维制成的复合插板具有优异的抗冲击性能，被广泛应用于防弹衣插板。本文通过实弹靶试研究了碳化硼(B4C)陶瓷和芳纶预浸料复合过程中成型压力对插板防弹性能的影响。实验发现 B4C 陶瓷/芳纶复合插板通常可以经受一至两发子弹的冲击，体现出较强的防弹能力。同时高压复合插板具有较高刚度，可以降低中弹后弹痕的深度;而低压复合插板具有较高的韧度和拉伸变形能力，可以降低背板被击穿的概率。本研究对制作高性能陶瓷纤维复合防弹衣插板具有重要指导意义。关键词:碳化硼;芳纶预浸料;防弹插板;防弹性能;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03010404Effects of forming pressure on the properties of boron carbide/aramid ballistic insert plateWANG Hua1，2，WANG Xijie1，2，SHI Hui1，2，HAN Xiao1，2(1.Xi an Carbon Materials Co，Ltd，Xi an 710089，China;2.National and Local Union Engineering esearch Center of HighperformanceCarbon Fiber Manufacture and Application，Xi an 710089，China)Abstract:Composite inserts made of ceramics and fibers are widely used for body armors due to their high im-pactresistance In this paper，the influence of forming pressure on the efficacy of B4C ceramicaramid prepreg bul-letproof was studied by bullet target test It is found that the B4C ceramicaramid composite insert can usually with-stand the impact of one or two bullets，showing pretty good ability of bulletproofing Our experiment also reveals thathighpressure leads to a harder plate，which reduces the depth of the depression by the bullet Whereas，lowpres-sure leads to higher tensile strength and stretch ability of the plate，which reduces the probability of penetrating Ourwork has applicative significance in the fabrication of highperformance ceramicfiber composite body armor insertsKey words:boron carbide;aramid prepreg;ballistic insert plate;bulletproof performance;composites收稿日期:20220307作者简介:王华(1982)，男，硕士，高级工程师，主要从事装甲复合材料及其安全防护方面的研究，。1前言作为个人单兵防护用品的重要组成部分，防弹插板的轻量化和防多发弹打击性能是两项重要指标。陶瓷材料具有高硬度、高抗压强度、低密度的特性，是防护装备轻量化的首选。其中碳化硼(B4C)陶瓷密度小且防弹性能优越，更符合装甲轻质化趋势1。但是陶瓷作为一种脆性材料，受到子弹撞击会发生大范围的碎裂，这限制了陶瓷抵抗多次打击的能力。纤维增强树脂基复合材料是发展较快的一种新型防弹材料，具有轻质、高强、工艺性好、弹道性能优异等特点2。目前已经有大量关于碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶复合材料在不同条件下的防弹能力研究37。但是这些研究主要集中在防低速破片模拟弹杀伤方面，对于全速尖头弹的防弹性能研究较少。单一的陶瓷材料不具备抗弹和结构一体化的功能，只能用于构成复合装甲中的组元，与其他材料通过宏观层面复合而构成防弹装甲8。采用在陶瓷面板后增加纤维类复合材料背板，不仅能降低靶板面密度，还能够提高防弹性能9。本论文以碳化硼(B4C)陶瓷为面板，芳纶预浸料为背板，将两者在不同压力下复合制成防弹插板，并进行防多发弹打击靶试。通过对背面垫料模塑胶泥进行凹陷分析，研究了该结构靶板在不同复合压力下的防弹效果。通过拆解靶板并结合弹孔分析了陶瓷/芳纶复合插板的损伤4012023 年 3 月复合材料科学与工程机理，为进一步改善陶瓷/芳纶复合插板的防弹性能提供了参考。2实验及靶试结果2.1实验材料和方法将厚为(60.2)mm、密度为 2.52 g/cm3的 B4C陶瓷与芳纶预浸料按照芳纶织物、B4C 陶瓷、多层芳纶预浸料的顺序进行铺放。然后置于复合压力分别为1.0 MPa、2.0 MPa 和3.0 MPa 的压力釜中固化形成复合插板。制成的插板尺寸为325 mm260 mm，控制复合插板总厚度22 mm，面密度28 kg/m2，每种压力下制作三块用于平行测试。按弹击方向，将防弹插板置于模塑胶泥前面进行靶试。靶试后采用单尖头数显卡尺对模塑胶泥的凹陷深度进行测量。弹道测试采用仿 M14 步枪发射7.62 mm51 mm NATO FMJ M80 弹，发射枪距离靶板15 m，子弹着靶速度为(8479)m/s。每块插板被弹三发用来检测防多发弹打击能力，通过测量弹击后模塑胶泥产生的凹陷来评判防多发弹打击性能。2.2靶试结果B4C陶瓷/芳纶复合防弹插板实弹靶试结果如表 1 所示。从测试结果可以看出:3.0 MPa 复合压力下的插板仅能防住一发全速弹射击，弹击凹陷为 3234 mm;2.0 MPa 复合压力下的插板也能防住一发子弹，弹击凹陷为 2931 mm，其中一块插板防住了两发弹击，第二发子弹的弹击凹陷为 34 mm;1.0 MPa 复合压力下的插板能防住两发全速弹射击，其中第一发子弹的弹击凹陷为 2629 mm，第二发子弹的弹击凹陷为 2834 mm，第三发击穿。陶瓷/芳纶复合插板的靶试结果差异较大，充分说明了成型压力会极大影响插板的防弹性能。表 1复合防弹插板靶试结果Table 1Test results of composite ballistic insert plates复合压力/MPa靶板序号第一发凹陷/mm第二发凹陷/mm第三发凹陷/mm301#323击穿击穿2#344击穿击穿3#337击穿击穿204#294击穿击穿5#312342击穿6#305击穿击穿107#268285击穿8#275307击穿9#292340击穿3陶瓷面板防弹性能分析子弹撞击靶板产生的压缩应力超过弹体材料屈服极限后，弹头被甲撕裂，弹芯发生塑性变形。压缩应力在陶瓷迎弹面形成损伤断裂并向背弹面传播时，由于界面阻抗效应，冲击波在界面处发生反射，产生的反向拉应力导致陶瓷背弹面形成损伤断裂，并迅速向迎弹面扩展10。由于陶瓷的抗拉伸强度很小，因此拉应力的出现就有可能在陶瓷靶板内出现大面积的锥形破坏，同时由于弹体的挤压，陶瓷径向膨胀产生的周向拉应力使弹孔附近出现径向裂纹。陶瓷面板在两种应力共同作用下形成由径向裂纹和同心环向裂纹组成的锥形破坏区域1112。弹孔处形成细小的陶瓷碎粒，远离弹孔处的陶瓷碎裂成块状，且离弹孔越远，破裂的块体尺寸越大，表明子弹在破坏过程中能量被不断吸收、减弱，最后大的陶瓷块体阻止了裂纹的进一步扩展使破坏停止13。在不同复合压力下的 B4C 陶瓷迎弹面的碎裂情况如图 1 所示。3.0 MPa 复合压力下的插板被弹状态及陶瓷面板上的弹孔形貌见图 1(a)至图 1(d)。从图上可以看出三个弹孔基本为圆形，尺寸相差不大，弹孔周围的裂纹呈射线状发散。1.0 MPa 复合压力下陶瓷面板上的弹孔形貌见图 1(e)至图 1(h)。第一发弹的弹孔为圆形，周围裂纹呈现射线状发散。第二发和第三发弹的弹孔及其周围裂纹不规律分布，无序发散。通过整个陶瓷面板可以看出，第一个弹孔周围的裂纹对后两个弹孔的裂纹扩散起到了一定的影响。(a)、(b)、(c)、(d)复合压力为 30 MPa;(e)、(f)、(g)、(h)复合压力为 10 MPa图 1不同复合压力下陶瓷迎弹面破坏Fig.1Damages of the face surface of ceramic panelunder different compound pressures5012023 年第 3 期成型压力对碳化硼/芳纶防弹插板的性能影响约束作用除了能够显著提高陶瓷材料的断裂载荷外，还能延长从开始加载至发生断裂的时间14。高压复合后的芳纶预浸料刚度高，可以对陶瓷面板提供有效的支撑。当弹头击碎陶瓷后，芳纶背板约束了陶瓷碎片的轴向运动，延长了子弹在陶瓷碎片中的停留时间，增强了陶瓷碎块对弹体的磨蚀作用。冲击应力波迅速往后传递，减弱了反射波对陶瓷面板的破坏。因此弹孔周边陶瓷裂纹及破碎范围较小。低压复合的芳纶预浸料仍有一定的弹性，对陶瓷面板的支撑作用相对较弱。当陶瓷受到冲击时，第一发弹孔裂纹的扩散范围大，消耗的子弹动能多，所以造成的背部凹陷比较小。但是过度的裂纹扩散破坏了陶瓷的完整性，造成第二发弹背部凹陷较大及第三发弹的穿透现象。4芳纶背板的防弹性能分析子弹在作用于纤维复合材料靶板时，纤维的受压破坏和拉伸变形及层合板分层伴随着靶板侵彻的全过程。芳纶纤维主要由刚性分子链组成，受到拉伸时断裂伸长率较小。在背后约束和弹体冲击的联合作用下，纤维背板的迎弹面纤维被迅速压缩剪切直接发生接触破坏。由于弹性波波速高于弹速，背弹面纤维提前受拉分层形成鼓包，当超过材料的拉伸应力时，织物被拉断。由于这数层并不直接参与接触弹体，为间接破坏。随着子弹速度下降，迎弹面弹孔周围部分纤维发生断裂，背弹面开裂变形吸能，中间纤维层就成了防止弹体贯穿的主要部位15。30 MPa 复合压力下芳纶背板上的弹孔形貌如图 2(a)至图 2(f)所示。拆解 1#防弹插板后发现:芳纶背板的迎弹面出现了方形的弹孔，纤维局部断裂呈现出原纤化及小范围的分层破坏。在未被击穿的弹孔内部能够发现变形的被甲及铅芯，中间层芳纶未出现明显破坏，但背弹面芳纶纤维出现断裂，见图 2(a)至图 2(c)。被击穿的弹孔整体呈现孔洞破坏，弹孔周围的芳纶呈现原纤化。中间层及背弹面未出现分层，冲塞剪切作用明显，见图 2(d)至图 2(f)。(a)、(b)、(c)分别为第一发弹孔迎弹面，中间层，背弹面;(d)、(e)、(f)分别为第二发弹孔迎弹面，中间层，背弹面图 23.0 MPa 复合压力下芳纶背板的破坏Fig.2Damages of the aramid backplane under30 MPa compound pressure1.0 MPa 复合压力下芳纶背板上的弹孔形貌如图 3(a)至图 3(f)所示。芳纶背板破坏的规律与3.0 MPa 时相似，即迎弹面芳纶的弹孔为方形，未被击穿的弹孔中间层芳纶结构完整，披甲和铅芯分布于弹孔周围及分层的芳纶层之间，背弹面出现应力过大造成的芳纶断裂。击穿弹孔呈现花瓣状撕裂，弹孔周围