碳纤维复合材料防弹性能怎么样?

  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,因此作为先进复合材料得到了广泛的应用。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。

  然而广泛用于玻璃钢工业的E玻璃纤维其延伸率为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70~80年代有不少科学工作者提出把碳纤维和玻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。

  为研究比较几种常见纤维及其混杂后的防弹能力设计了几个不同类型的板材进行实验,分别为全E玻纤板(A组)、T700碳纤维混合E玻纤复合板(B组)、E玻纤混合UHMPE复合板(C组),并分别按工艺要求及测试标准制作实验件,采用79式7.62mm微型冲锋枪以0°垂直,距离10m,入射试验板材。

  经过以上实弹测试,A组使用优质的E玻璃纤维布制成的11.3mm厚复合板,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,所以板材除了着弹处被击穿外没发生其他破坏。

  B组是使用T700碳布与E玻璃纤维布混杂压制的11.1mm厚度复合板。其表层只用了6层碳纤维布其余全为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1.2mm的碳纤维层击穿,便牢固地嵌在玻璃纤维层上,并在着弹处两侧掀起了90×60×15mm的分层空间。弹头被刚强的碳纤维复合材料墩成厚度为3.4~4.4mm的饼状物,Cu壳开裂,内部Pb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,Pb被熔化,整个弹头逐渐墩粗至饼状,使速度大为下降。速度的锐减使动能下降转变成热能,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。

  C组采用高强度E玻纤布与UHMPE布压成厚度为11.6mm的混杂复合材料板。首先着弹的处用了4层E玻布以后全为UHMPE布。射击后在背面处弹头把UHMPE布掀起一小鼓包,小包顶部纤维被拉断而露一小孔。拉断的UHMPE纤维由于没被胶浸润而松散地飘露着。经检查弹头留在板内所以孔是不通的而在驻弹的两侧沿厚度严重分层。后顺分层处把板撬开,发现弹头也沿着弹孔水平转了90°,弹头被完整地墩成一短靴状,Cu皮只少许胀裂,Pb芯完好地包在其中。由于这两种纤维混杂后产生的混杂效应有力地阻挡弹头前进,并使之迅速加热软化而被墩粗成靴状。当进入UHMPE层后,由于它的断裂伸长较大约为5%与本文基体结合成吸收能量较好的体系。但UHMPE布却是一种不易被树脂浸润的材料,表层涂抹树脂后在压机的压力下固化,粘结力虽不像玻璃纤维布好但层与层粘合得还不错,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90°后弹头阻力面积增大,不再前进而停下,而剩余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。

  在上述防弹复合材料中B组和C组是采用混杂复合材料技术制成的。其中尤以B组用强度、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。