防弹复合材料结构及其防弹机理

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1、万方数据94材料工程／2010年11期防弹复合材料结构及其防弹机理StructureandBullet-proofMechanismofBallisticComposites陈磊1，徐志伟1，李嘉禄1，张刘飞2，陈利1，吴晓青1，孙颖1，陈光伟1(1天津工业大学复合材料研究所先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300160；2江阴出入境检验检疫局，江苏江阴214400)CHENLeil，XUZhi—weil，LIJia—lul，ZHANGLiu—fei2，CHENLil，WUXiao—qin91，SUNYin91，CHENGuang—weil(1KeyLaboratoryofAdvance

2、dBraidedComposites(MinistryofEducation)，InstituteofCompositeMaterials，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China；2JiangyinEntry—ExitInspectionandQuarantineBureau，Jiangyin214400，Jiangsu，China)摘要：探讨了弹块与防弹复合材料的作用机理，分析弹块在侵彻过程中复合材料吸能方式和破坏模式的变化，提出了防弹复合材料的结构设计概念。分别研究了单根纤维性能、织物结构、树脂性能、基体含量和复合材料界面粘接强度

3、等因素对防弹性能的影响，并指出目前存在的不足，以期为今后防弹复合材料的结构设计提供借鉴。关键词：防弹复合材料；结构设计；破坏模式；织物结构；界面中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1001—4381(2010)11-0094—07Abstract：Theinteractionmechanismsofbombblockandcompositesarediscussed，andtheenergy—ab—sorbingmeansandfailuremodeofcompositesareanalyzedinthepenetrationprocessofbombblock．Thestruct

4、uraldesignofbullet—proofcompositewasputforward．Theinfluenceofsingle-fiberproper—ties，fabricstructure，resin，matrixcontentandinterfacestrengthonthebullet—proofperformanceisinvestigated．Itisexpectedthatthispaperisbeneficialtothestructuraldesignofbullet—proofcompos—ites．Keywords：bullet—proofcomposite；s

5、tructuraldesign；failuremode；fabricstructure；interface20世纪70年代以来，复合材料开始在防护过程中大量使用。纤维增强复合材料由于具有轻质高强和高冲击损伤容限等优点，在航空航天、人体、车辆以及舰船重要舱室等防护领域受到了研究人员的青睐，并得到了越来越广泛的应用[1t2]。子弹与复合材料作用过程中发生侵彻，表现出了多种不同的破坏模式，如纤维的拉伸断裂、层合板的分层、纤维和树脂的脱粘及材料产生的背凸等。弹体动能就是在这些破坏中被逐渐消耗，从而达到了防弹的效果。本文针对弹道冲击下子弹与复合材料的作用机理和破坏模式展开了分析，并根据子弹与复合材料在

6、不同阶段的作用机理对当前国内外防弹复合材料的结构设计进行了研究。此外，影响复合材料防弹性能的因素很多，其中主要包括增强体、基体、界面和梯度结构等因素。对此，本文探讨了包括天然纤维在内的纤维种类、织物组织结构、面密度、基体的性能、含量、纤维与树脂间界面性能以及梯度结构设计等因素对防弹性能的影响。1弹体与防弹复合材料的作用机理1．1应力波的传播机理应力波是应力和应变扰动的传播形式，在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度和相应的应力、应变状态的变化。在弹道冲击中，子弹与靶板接触的瞬间产生的应力波以两个方向传播，一是以连续的脉冲沿纤维的轴向传播，受到冲击的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用，应力波

7、在很多纤维上扩散开来；二是应力波的沿靶板纵向传播，应力波在靶板的织物和基体界面及靶板自由面之间产生连续反射，使压力变成拉应力。研究发现，应力波在两种不同的材料中传播时，当传至两种材料的界面会产生入射波和反射波[3]，而且应力波在产生塑性变形的材料中的传递较在弹性变形材料中的传递规则许多[4]。应力波在纤维中传播速度主要取决于纤维的杨氏模量[5]及其在复合材料中的状态。一般，材料的模量越高，质量越低，应力波传播