防弹碳纤维复合材料

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
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
本文所制的四块板的基体都属于常温固化、 凝 胶期稍长 （约 l.51） 、 经过合适增韧的环氧树脂体 系。
混杂复合材料种类及防弹实验结果
NO. 2 碳纤高弹板 NO. 3 高强板 EJ-l20 高强度玻纤布 ll.6 940 弹头留在板内， 板后几层 纤维撕裂 未穿透 NO. 4 高强高韧板 EJ-l20 高强玻纤布混杂 UHMPE 布 ll.6 690 弹头留在板内， 板后局部纤维鼓起断 裂， 弹头两边分层较严重 未穿透
图3
弹头的各种破坏模式
玻璃钢 / 复合材料 2004 年第 5 期 11 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
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
玻璃钢 / 复合材料 2004 年第 5 期 9 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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按反恐防暴产品的设计要求试件是一块微弯试件形状和尺寸收稿日期2003212219区敏果参加了本文研制工作从事新型复合材料研制推广应用和材料性能测试工作cm200410防弹碳纤维复合材料2004混杂复合材料种类及防弹实验结果编号试件名称增强材使用情况试件中弹破坏情况实验结果t2700121111810弹头留在板内该处局部分层未穿透高强板高强高韧板优质玻纤布ej2120高强度玻纤布ej2120高强玻纤布混杂1113860其他破坏穿透1116940弹头留在板内板后几层纤维撕裂未穿透1116690弹头留在板内板后局部纤维鼓起断弹头两边分层较严重未穿透212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大垂直压力为13kgcm次加压最后一次正好到达板的凝胶期
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。
这样， 但弹头与复合材料却紧紧地嵌在一起的， 不能 动弹， 从而起到了防弹的作用。可见， EJ120 高强板 玻璃纤维布确是一种不错的防弹材料。其最大优点 价格便宜、 易浸润、 工艺性好和粘结力强。复合材料 刚性、 强度、 韧性都不错。弹头在材料中被阻击开花 且转了弯， 仍没产生分层现象。不过根据本文实弹 射击结果看， 对于防卫微型冲锋枪射击， 板厚应设计 为 15 ~ 16mm 为宜。 No . 4 高 强 度 韧 板 为 EJ120 高 强 玻 纤 布 与 UHMPE 布压成的混杂复合材料。首先着弹的凸面 处用了 4 层 EJ120 布， 以后全为 UHMPE 布。射击后 的破坏情况与 No . 3 板有点相似， 也是在凹面处弹头 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， 如图 3 （ c） 所示。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 由于它的断裂伸长较大， 约为 5% ， 与 UHMPE 层后， 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， 在撬开时感觉非常费
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
［1］P W Mandes，M G. Bader . The strength in hybrid glass / carbon fiber ［ J］ （16） composites . Mater Sci 1981， 2233 . ［2］李家驹， 麦堪成， 曾汉民 . C / G 混杂增强聚砜及其共混物夹芯层 板的弯曲和冲击性能 ［ J］ （1） ： . 复合材料学报， 1988， 14-20 . ［3］王禹阶， 张长发， 陈博 . 玻璃钢技术问答 ［ M］ . 中国玻璃钢工业协 会， 1981 .
防弹碳纤维复合材料 2004 年 9 月 l0 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
防弹碳纤维复合材料
李家驹，张茂安
（广州市科宝有限公司，广州 510290）
摘要： 本文主要介绍使用复合材料科学的混杂技术解决了纯碳纤维复合材料不能防弹的问题， 并简略介绍了它防爆能 力， 同时也介绍和评述了其他两种防弹复合材料的特性。复合材料的混杂技术是研发新型防弹和防爆炸物高速撞击材料的方 向。 关键词：复合材料；混杂技术；防弹 中图分类号：TO342 + .74；TB332 文献标识码：A 文章编号：1003 - 0999（2004）05 - . 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
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。
1
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