热固性树脂对芳纶复合材料防弹性能的影响
【摘要】采用环氧树脂对酚醛树脂进行改性，树脂的粘结强度明显提高，当环氧树脂含量保持在6%时防弹复合板的防弹性能最优，复合板的安全裕度更高。而当树脂固含量在15%~25%时，复合板的最大粘结力为37.8~40.1N，其中，当树脂固含量为20%时，防弹复合板的防弹性能最优。同时研究了增塑剂对复合板防弹性能的影响，结果显示，当增塑剂含量为15%时，防弹复合板的防弹性能最优。
【关键词】热固性树脂 芳纶 防弹性能 复合材料
1·引言
目前，用于防弹复合材料的纤维主要是芳纶纤维、高强度玻璃纤维、高强度聚乙烯纤维等，其中轻质防弹复合材料使用最多的是芳纶纤维，高强度玻璃纤维综合性能比芳纶纤维稍差，高强度聚乙烯虽然强度更高、密度低，但是其使用温度过低。芳纶防弹复合材料是由芳纶织物（或纤维）在增强树脂的作用下制成的一类抗弹复合材料，其具有耐冲击性能好、性能可设计性强、具有一定的多功能性的特点，在个体防护、车辆装甲防护、工程防护等领域有着广泛应用[1]。其主要原理是利用芳纶纤维复合材料的动态抗拉性能和伸长率高的优势，将弹丸兜住，从而起到防弹的功能。目前该类复合材料所采用的增强树脂主要有热固性树脂、热塑性树脂、水溶性树脂等[2]。本文主要通过实验对不同的热固性树脂进行比较，分析了粘结强度对复合材料防弹性能的影响，以及固含量对材料防弹性能的影响。
2·防弹抗弹能量吸收原理
粘结树脂在纤维防弹板抗弹的过程中，起到分散子弹冲击的应力、传递应力、均衡载荷的作用，并且通过自身断裂、烧蚀降低子弹的冲击动能。一般树脂在防弹复合材料中的含量不超过30%，树脂含量较高虽然可以提高层间的粘结强度，但由于纤维复合板层与层之间粘结太牢，纤维之间不易脱粘，将减少纤维复合板分层破坏阶段的能量吸收。因此纤维复合板的物理力学性能应综合考虑，有时宁愿损失些弯曲强度和层间剪切强度而获得较高的冲击强度，才能使纤维复合板具有最佳的防弹效果。其防弹机理为[4]：首先，当弹体击中靶板后产生张力波。此种张力波以两种形式向外传播：一种是以连续的脉冲沿纤维的轴向传播，先受到冲击的纤维与别的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用，在很多纤维上扩散开来，能量在相当大的面积上被吸收；另一种是靶板轴向传播，在靶板的织物与基体树脂界面上产生反射，使压应力变为拉应力，当拉应力值大于纤维与基体树脂之间的粘结强度时，导致靶板分层，吸收弹体部分能量。其次，随着弹体更加深入侵彻，纤维受到拉伸变形，弹体的动能转为纤维的弹性势能，进一步吸收弹体的能量。当纤维的应变大于其极限应变时，则纤维断裂。如果弹体仍具有多余的动能，则进一步侵彻下一铺层，直至弹体动能完全被消耗。若靶板较薄，则被弹体击穿。
3·树脂对纤维复合板防弹性能的影响
3.1不同粘结强度对复合板防弹性能的影响
芳纶防弹复合板多采用芳纶机织布及热固性树脂通过模压工艺制备而成，采用的树脂多为改性酚醛树脂。其中本研究保持芳纶复合板树脂含量为15%不变，其中酚醛树脂的固含量为50%，环氧树脂的固含量约为100%，采用18层T750芳纶机织布，通过改变环氧树脂含量进行层压板实验，结果见表1。树脂的粘结强度必须适中，粘结强度过大易导致树脂对纤维布样束缚，使纤维“塑化”，致使产品易发生脆性断裂，而本研究采用物理共混的方法，通过添加粘结强度较高的环氧树脂对酚醛树脂进行改性，以提高酚醛树脂的粘结强度。
通过表1可以看出，未添加环氧树脂的酚醛树脂最大粘结力仅为10.9N，而复合板中纤维布的穿透层数超过11层。这是因为粘结强度过小，当弹片撞击复合材料板时，纤维布与树脂脱粘，致使布样之间滑移，产生严重的分层，虽然靶板分层，可吸收弹体部分能量，但由于该部分能量过小，子弹的冲击动能仍很大，致使子弹冲击动能未充分分配到整个靶板上，从而导致子弹冲击的部位迅速应力集中，使得穿透复合板纤维布的层数较多。而随着环氧树脂含量的逐渐增加，复合材料最大粘结力的逐渐提高，使得子弹冲击动能迅速分散到整个复合板上，应力集中的现象有所减弱，从而穿透复合板纤维布的层数较少。但当环氧树脂含量进一步增加，粘结强度进一步提高，而防弹板穿透纤维布的层数达到11层，这是因为，随着粘结强度的进一步提高，致使纤维布样被束缚，使纤维“塑化”，致使产品易发生脆性断裂，从而导致复合板的防弹性能降低。经研究，当环氧树脂含量保持在6%时，防弹复合板的防弹性能最优，复合板的安全裕度更高。
3.2不同树脂含量对复合板防弹性能的影响
为了提高材料的防弹性能，本研究采用环氧树脂含量6%不变，通过计算固含量算出不同树脂含量，见表2。由表2可以看出，当树脂含量为15%~25%左右时，纤维复合板的最大粘结力在37.8~40.1N，而当树脂固含量为10%和30%时，粘结力分别为20.4N和42.2N，说明树脂固含量较低，不利于纤维复合板防弹能量的吸收，主要是由于树脂含量较低，层间的粘结强度较低，致使层间的分层严重，从而防弹能力差；而固含量过大[4]，层与层之间的粘结很强，复合板的粘结太牢，纤维之间不易脱粘，纤维复合材料在高速冲击下，易发生脆性破坏，从而减少纤维复合板分层破坏阶段的能量。因此，综合考虑复合板的防弹性能，树脂含量需控制在15%~25%，其中树脂固含量为20%时，防弹复合板的弹坑凹陷最小。
4·增塑剂对防弹板防弹性能的影响
增塑剂是能够使树脂在自然晾干后，形成的胶膜具有柔韧性，从而降低树脂体系的黏度和玻璃转化温度，提高拉伸率。本研究在上述配方的基础上，采用增塑剂，提高树脂柔韧性，见表3。
由表3可以看出，增塑剂的添加，防弹复合板的防弹性能明显提高，这主要是由于增塑剂的添加削弱了树脂中聚合物的分子间力，增加聚合物分子链的活动性，降低聚合物分子链的结晶性，从而使树脂形成胶膜的硬度、弹性模量、脆性降低，而拉伸率、可塑性、柔韧性提高。其中采用增塑剂的主要原理本质是极性增塑剂与极性聚合物的破坏缠结点“弱化作用”，提高树脂柔软性等，从而提高了防弹复合板的防弹性能。但增塑剂含量提高到15%以上时，增塑剂破坏聚合物的分子间力过大，聚合物分子链的结晶性过差，最终导致防弹复合板的过于柔软，从而凹陷变大。当增塑剂含量为15%时，此时复合材料在受到子弹撞击时，由于本身聚合物分子链的活动性较为活跃，复合材料的柔韧性较好，使得子弹的冲击动能迅速传递到整个复合板上，达到分散应力的作用，从而使得复合板的防弹性能提高。
5·结论
通过以上研究我们可以得出结论：
（1）采用环氧树脂改性的酚醛树脂，树脂的粘结强度明显提高。当环氧树脂含量保持在6%时，防弹复合板的防弹性能最优，复合板的安全裕度更高。随着环氧树脂含量的继续增加，粘结强度进一步提高，致使纤维布样被束缚，使纤维“塑化”，致使产品易发生脆性断裂，从而导致复合板的防弹性能降低。
（2）当树脂固含量在15%~25%时，复合板的最大粘结力为37.8~40.1N，其中，当树脂固含量为20%时，防弹复合板的防弹性能最优。
（3）采用增塑剂含量为15%时，防弹复合板的防弹性能最优。主要是由于复合材料在受到子弹撞击时，复合材料的柔韧性较好，使得子弹的冲击动能迅速传递到整个复合板上，达到分散应力的作用，从而使得复合板的防弹性能提高。
参考文献
[1]虢忠仁,杜文泽,王树伦,金子明,钟蔚华.芳纶纤维抗弹复合材料研究进展[J].工程塑料应用，2009,37(1):75~78.
[2]赵健,傅华,赵海江.轻型复合装甲结构的探讨[J].船舶,2007(2):31-32.
[3]沈峰,钟蔚华,金子明等.芳纶防弹板的研制[J].工程塑料应用，1998，26(5).1~3.
[4]刘国权,杨大峰,梅树清.防弹用纤维复合材料最佳树脂含量研究[J].玻璃钢复合材，2001,3:13~15
