铺层Kevlar装甲材料的制备及力学性能*

张婷婷 郑建华 田鹭新 曹海建 钟崇岩 黄晓梅

1. 南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019；2. 江苏百护纺织科技有限公司，江苏 宿迁 223800

芳纶复合材料具有质轻、强度高、断裂伸长率好、抗破坏力强等特点[1-3]，其在防弹装甲领域有着举足轻重的作用。国内外相关的研究有很多，例如：陈虹等[4]研究了轻质芳纶复合装甲应用于防弹车的必要性，以及芳纶复合材料的防弹机理，介绍了轻质防弹装甲在各式防弹车中的应用实例，得出芳纶应用于防弹车是完全可行的且应用前景广阔的结论；李欢秋等[5]基于弹道试验和数值模拟研究了56式7.62 mm普通钢芯弹贯穿装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构的全过程，探讨了不同复合形式的装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构的防护效果；焦亚男等[6]将超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414和杂环芳纶等分别与水性聚氨酯(WPU)组成树脂体系，研究并发现它们的防弹性能由高到低依次为UHMWPE纤维、杂环芳纶、芳纶1414、S-玻璃纤维；董超亮等[7]利用热压工艺将新型热固性树脂(AFR-T)与芳纶复合，发现AFR-T与芳纶之间的浸润性和界面黏结性能都较好；TALIB等[8]、NAIK等[9-10]分析了Kevlar-29与Al2O3/环氧树脂复合材料的抗冲击性能，并建立了弹道冲击方程。

本文将以10层Kevlar织物作为增强体，以环氧树脂E-51与聚醚胺WHR-H023组成的树脂体系为基体，通过复合制备铺层Kevlar装甲材料，重点研究铺层Kevlar装甲材料的拉伸性能、弯曲性能及它们的破坏形貌，以期为该类材料的结构优化及工程化应用奠定一定的理论基础。

1 试验部分

1.1 原材料与设备

1.1.1 原材料

Kevlar机织物，平纹，经纬纱线密度均为88.89 tex，经纬向密度均为90根/(10 cm)，织物面密度为210 g/m2，思维奇碳纤维制品有限公司提供；环氧树脂E-51，南通星辰合成材料有限公司提供；固化剂聚醚胺WHR-H023，无锡仁泽化工产品有限公司提供。

1.1.2 设备

101A-4S电热鼓风干燥箱，南京沃环科技实业有限公司；Instron 5969H型万能材料试验机，美国Instron公司。

1.2 复合工艺

将环氧树脂E-51和聚醚胺WHR-H023按质量比4 ∶1组成树脂体系，然后利用手糊成型工艺将10层Kevlar织物以质量比1 ∶1与树脂体系复合，获得铺层Kevlar装甲材料，具体工艺参见文献[11]和[12]。

1.3 拉伸性能

铺层Kevlar装甲材料的拉伸性能测试参照GB/T 1446—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[13]标准。具体为经纬向各取5块尺寸为200 mm×20 mm的试样，测试跨距为150 mm，拉伸速率为100 mm/min。

1.4 弯曲性能

铺层Kevlar装甲材料的弯曲性能测试参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[14]标准。具体为经纬向各取5块尺寸为150 mm×60 mm的试样，测试跨距为100 mm，弯曲速率为2 mm/min。

1.5 破坏形貌

拉伸与弯曲的破坏形貌皆由Canon Eos M6 EF-M型相机拍摄并记录。

2 结果与分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 拉伸过程

铺层Kevlar装甲材料试样经纬向的拉伸性能相似，故本文以经向为例，其拉伸载荷-位移曲线和拉伸破坏过程分别如图1和图2所示。

图1 铺层Kevlar装甲材料试样经向拉伸载荷-位移曲线

图2 铺层Kevlar装甲材料试样经向的拉伸破坏过程

由图1可以看出，5块铺层Kevlar装甲材料试样经向的拉伸载荷-位移曲线基本相似。以曲线1为例：试样的位移先随着拉伸载荷的增加而增大，对应曲线1上的a～b区间；接着，伴随着试样的完全断裂，拉伸载荷达到最大值，对应曲线1上的b点；随后，拉伸载荷迅速下降，拉伸过程结束，对应曲线1上的b～c区间。

从图2可以看出，铺层Kevlar装甲材料试样经向的拉伸破坏过程都是先由两侧外层的织物分层、断裂，再逐渐向内层转移的，这说明分层是铺层Kevlar装甲材料的主要破坏模式，破坏次序为材料的外层逐渐向内层转移。

2.1.2 拉伸断裂强度及拉伸断裂处形貌

汉代服饰奠定了中国传统服饰的基础，但楚国时期和秦国时期文化对汉代服饰的特点和风格造成了一定程度上的影响，楚浪漫与肆虐，秦浑朴与谨饬，汉代服饰浪漫浑朴的风格就是继承楚秦形成的，而后又经过自身的不断发展最终成为独具特色的汉代服饰风格，对其后的服饰提供模范和借鉴。

铺层Kevlar装甲材料试样的拉伸断裂强度如图3所示。

图3 铺层Kevlar装甲材料试样的拉伸断裂强度

由图3可知：(1)铺层Kevlar装甲材料试样的经纬向拉伸断裂强度相近，都约为270 MPa；(2)纬向拉伸强度的离散值较经向大，这主要与手糊成型工艺的不稳定性有关。

图4为铺层Kevlar装甲材料试样的拉伸断裂处形貌。

图4 铺层Kevlar装甲材料试样的拉伸断裂处形貌

由图4可以看出：(1)铺层Kevlar装甲材料试样中各层织物的断裂形貌相似，断口都呈不规律的曲线状，且断口处均有纤维拔出，少数纤维还存在牵连。(2)对于经向拉伸的试样，经向纤维为承载主体，纬向纤维保存较为完好；对于纬向拉伸的试样，纬向纤维为承载主体，经向纤维保存完好；拉伸结束后，试样会发生弹性回复，试样表层会出现一条条垂直于拉伸方向的树脂碎裂堆积的白色痕迹。

2.2 弯曲性能

2.2.1 弯曲过程

铺层Kevlar装甲材料试样经纬向的弯曲性能相似，故本文仍以经向为例，其弯曲载荷-位移曲线和弯曲破坏过程如图5和图6所示。

图5 铺层Kevlar装甲材料试样经向弯曲载荷-位移曲线

图6 铺层Kevlar装甲材料试样经向的弯曲破坏过程

由图5可知，铺层Kevlar 装甲材料试样经向的弯曲载荷-位移曲线基本相似。以图5中的曲线1为例：位移先随着弯曲载荷的增加而增加，两者几乎线性相关，对应曲线上的a～b区间；接着，弯曲载荷达到最大值，对应曲线上的b点，此时试样完全被破坏；随后，位移继续增加，弯曲载荷缓慢下降并逐渐趋于平稳，弯曲过程结束，对应曲线中的b～c区间。

由图6可以看出，铺层Kevlar装甲材料试样在经向弯曲过程中没有出现明显的断裂和分层，这表明铺层Kevlar装甲材料具有很好的韧性；弯曲过程中，压头对试样的上表面进行了压缩而形成压应力，试样的下表面则随着压头施加的压力慢慢往两边延伸而形成拉应力，整个过程中试样上表面的压应力转变成下表面的拉应力[15]。

2.2.2 弯曲断裂强度及弯曲断裂形貌

铺层Kevlar装甲材料试样的弯曲断裂强度如图7所示。

图7 铺层Kevlar 装甲材料试样的弯曲断裂强度

由图7可知：(1) 铺层Kevlar装甲材料试样的纬向弯曲断裂强度(120 MPa)优于经向(93 MPa)；(2)纬向弯曲断裂强度离散性大于经向，这与手糊成型工艺的不稳定性有关。

图8为铺层Kevlar装甲材料试样的弯曲断裂形貌。

图8 铺层Kevlar装甲材料试样的弯曲断裂形貌

由图8可以看出：(1)试样经纬向弯曲断裂形貌相似；(2)试样正面没有出现明显的断裂和分层，只是受压应力作用，压头处出现了清晰的白色压痕，且压痕周围有细小的裂痕且呈不规则状态，这是试样受压后树脂碎裂所致的；试样背面只出现了少量凸起的痕迹，整体无明显的破坏痕迹。

3 结论

(1) 分层是铺层Kevlar装甲材料拉伸过程中的主要破坏模式，且破坏次序是从其外层逐渐向内层转移的。

(2) 铺层Kevlar装甲材料的经纬向拉伸性能相近，但纬向拉伸性能离散性较大，这与手糊成型工艺的不稳定性有关。

(3) 铺层Kevlar装甲材料在弯曲过程中没有出现明显的断裂和分层现象，表现为具有良好的韧性。

(4) 铺层Kevlar装甲材料的纬向弯曲断裂强度大于经向，且纬向弯曲断裂强度离散性较大，这与手糊成型工艺的不稳定性有关。