芳纶混编复合材料的抗冲击性能研究进展

范志平，靳高岭

（1.上海芳峰纶科技有限公司 上海 201500；2.中国化学纤维工业协会 北京 100020）

1引言

混编复合材料是使用嵌入单一基体中的两种或两种以上的纤维制成的，从而产生了一种性能不同于每种纤维类型和基体的新材料。混编程度可以是小规模（纤维、丝束）或大规模（层、拉挤、肋）的，混编目的是构建一种新材料，保留其成分的优点，舍弃其缺点。在过去的几十年里，混编复合材料在各个领域的需求日益增加。高刚度、高强度、轻重量和适应性是选择这类材料的主要原因，特别是在航空和汽车应用方面[1-2]。

近年来，混编芳纶夹层复合材料因其相对于传统复合材料的优势而受到广泛关注。对位芳纶是芳纶系列合成纤维中的一种，与玻璃纤维和钢丝相比，对位芳纶具有优异的强度重量比。此外，对位芳纶凯夫拉Kevlar 复合材料结构具有高模量、良好的热稳定性、阻燃性、抗损伤性、高韧性和韧性[3-4]。因此，Kevlar 作为冲击能量吸收结构，通常以安全头盔、战斗头盔和防弹衣的形式用于个人防护装备。通过将相对高延伸率/低模量的Kevlar 与其他低延伸率/高模量的纤维相结合，可以具有每种增强材料的高机械性能的特性，来实现不同纤维的优势互补用以改善复合材料的多种性能，从而形成平衡的混编复合层压板。例如：如果通过在压缩侧承受穿透冲击能量，并让位于张力侧的对位芳纶Kevlar 吸收更多能量，将碳纤维层放置在非对称铺层的受冲击侧，则混编积极效应明显[5]。文章综述了芳纶/碳纤维、芳纶/玻璃纤维等二元及多元混编复合材料的抗冲击性能的研究进展。

2 混编结构的优势

与传统的高分子复合材料相比，混编复合材料具有更好的机械和物理性能，已被用于航空、汽车等领域。这些复合材料可以根据需求调整以满足重量、强度、抗冲击性、精度和成本方面的不同设计要求。所有这些设计要求都可以通过改变纤维类型或方向、层间失配角、纤维体积分数、混编配置和混编方法来定制[6-7]。

根据成分的混合方式，常见的有四种不同的混编方法。第一种被称为“层内混合纤维”，将两种或两种以上的纤维类型混合在同一层中；第二种被称为“层间混合材料”，层压板的每一层都包含一种纤维类型；第三种被称为“三明治混合纤维”，其中一种单纤维类型的纤芯被夹在另一种纤维类型的两层之间；最后一种被称为“超级混合”，除了不同的纤维类型外，还使用了不止一种基体类型[8-9]。例如许多人造纤维和天然纤维用于混编复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶、玄武岩纤维等。

如今夹层复合材料在航空航天、海洋/海上工业和地面运输等领域的应用越来越受欢迎。夹层复合材料非常适合需要高平面内刚度和弯曲刚度的轻质结构。然而，因其对局部冲击载荷的抵抗力相对较差，复合材料的刚度和残余强度在碰撞后会降低，使其在易受冲击的应用领域受到限制[10-11]。如果使用Kevlar 纤维代替碳纤维结合使用，则使用Kevlar 纤维增强复合材料可以显著提高冲击损伤容限[12]。Bunsell 和Harris[13]提出，一旦在层间混编材料中达到脆性层（碳纤维）的破坏应变，如果层压板之间的粘合足够，载荷可以转移到韧性层（Kevlar）。

3 成型工艺

最近，许多研究工作都致力于生产轻质、高性能和低成本的高分子复合材料。热固性或热塑性复合材料可以通过在树脂基体中加入增强纤维，优化拉伸、冲击和弯曲强度特性的方法来提高性能。人们对在传统树脂中结合多种纤维而制备的混编复合材料的需求逐渐增加。由于碳纤维增强的复合材料容易受到冲击，这些混合复合材料的目的主要是改善碳基层压板的抗冲击性。混编复合材料的性能可以通过各种制造因素来调整，一般来说，纤维的类型和含量、纤维取向、堆叠顺序、层压形式和制造工艺，具有相同增强纤维的复合材料也可以有不同的性能，这取决于层压结构的选择[14]。

典型的加工技术，如高压釜、树脂传递模塑成型（RTM）[15]、真空袋压和手糊成型[16]等，已被用于制造适合工业应用的高性能复合材料。高压釜法可以生产出具有良好机械性能的高质量材料，但安装成本高，生产率低。真空辅助树脂转移模塑（VARTM）[17]相对简单，生产的材料质量与高压灭菌产品类似。

4 混编结构冲击性能研究进展

随着复合材料的广泛使用，面临的主要威胁也随之而来，异物冲击就是其中之一。例如，在制造过程或维护过程中，工具可能会掉落在结构上。在这种情况下，虽然撞击速度很小，但冲击力比较大。夹层复合材料结构比类似的金属结构更容易受到冲击损伤。在复合材料结构中，撞击造成的内部损伤通常无法通过常规目视检查检测到，这种内部损伤会导致材料强度严重降低，并在负载下强损程度快速增长。

耐冲击性能研究的重要性可归因于三个因素：（1）与类似的金属结构相比，在层压复合材料中更容易诱发损伤；（2）在载荷下损伤会增长，结构的强度和刚度会显著降低；（3）冲击损伤通常无法通过传统的目视检查发现。因此，必须了解异物对复合材料结构的影响，并在设计过程中采取适当措施，来规避对复合材料造成的损伤。冲击对复合材料结构性能影响一直是限制复合材料使用的一个重要因素。

热固性或热塑性复合材料可通过增强纤维在树脂基体中的掺入和反应来提高性能。在文献中可以找到大量专注于扁平和整体碳纤维/芳纶混编层压板冲击分析的实验工作，主要是结合金属箔和高分子层（即超级混合或纤维金属层压板）[18]使用相同基体但沿堆叠顺序（即层间混编）或层内（即层内混编）交替使用不同纤维材料的实验工作。在弹道冲击下，复合材料受到一些重要属性的影响，如材料的各向异性、材料的压实、相变、偏差耦合以及体积行为[19-20]。

4.1 芳纶与碳纤维混编复合材料研究现状

考虑到碳纤维和芳纶纤维作为环氧树脂的补强材料，也进行了一些研究。早在1978 年的时候Dorey 等人[21]研究了碳纤维和Kevlar 49 增强树脂混合层压板（2 层芳纶8 层碳纤维2 层芳纶K/C/K），损伤开始的阈值能量是碳纤维复合材料的4 倍，断裂能量是碳纤维复合材料的2 倍，冲击后的残余强度优于碳纤维复合材料，并且在某些情况下优于Kevlar 复合材料。单向K/C/K 的静态机械性能比Kevlar 复合材料好得多；测得的这些性能都不低于碳纤维复合材料本身的80%。Kevlar 复合材料层在混编复合材料内部的效果不如在外部优异。Marom 等人[22]研究了碳纤维增强复合材料与Kevlar 纤维的混合，在冲击能量方面产生了显著的混合效应，当混合采用夹层形式时，Kevlar 纤维被置于外层。在该结构中，用Kevlar 纤维取代50%的碳纤维，几乎达到了Kevlar 母体复合材料的冲击性能。此外，有迹象表明，如果断裂是通过拉伸断裂而不是剪切发生的，只要Kevlar 纤维被放置在外层，即使在更紧密的混编中也会观察到积极的混合效应。在这两项研究中，分析了具有不同堆叠结构的碳-芳纶混编复合材料的冲击行为，具有明显的正杂交效应，并且对堆叠顺序有很强的依赖性。

在1997 年Lee 等人[23]利用剪切变形理论研究了混合层压复合板遭受低速冲击的响应。他们得出结论，根据堆叠顺序，两个具有相同组分比的混合复合板的分数能量损失具有不同的值。碳纤维-Kevlar-碳纤维板具有低能量损失，Kevlar-碳纤维-Kevlar 板具有更高的能量损失；也就是板中心的位移随混合层合板的堆叠顺序而变化，混合层合板的弯曲行为主要取决于冲击表面的材料特性。与单向层压板相比，平纹编织结构能有效提高复合材料的抗冲击性[24]，在层压板中应用广泛，而碳/Kevlar 混合平纹编织层压板抗冲击性方面的研究较少。

Hazell[25]研究了由碳纤维增强材料和平纹Kevlar 29 织物组成的混合复合材料与钢球形弹丸撞击的弹道冲击响应。研究了混合复合材料的不同组合，其中Kevlar 层支持的层压板正面的碳纤维复合材料表现出良好的能量吸收。Brown[26]还评估了碳纤维和Kevlar 纤维混编复合材料表现出最大的冲击极限，以及更高的抗弹道性和更轻的重量。

在芳纶/碳纤维混编复合材料抗冲击性能的研究中，有较多针对混编方式、成型工艺、冲击的速度等对复合材料的冲击吸收的能量、冲击载荷以及冲击损伤形貌等抗冲击性能影响的研究，通过观察冲击后样件的凹坑深度、冲击外貌、内部损伤面积来分析样品的损伤破坏情况，对比何种条件下的样品抗冲击性能优越。碳纤维/芳纶混编复合材料是利用碳纤维优越的力学性能和芳纶纤维更好的抗冲击材料性能，通过紧密混合组合可以实现优异性能。

4.2 芳纶与玻璃纤维混编复合材料研究现状

芳纶纤维/玻璃纤维混编复合材料可以结合两种纤维的优点。玻璃纤维提供了高刚度、高强度和承载能力，而芳纶纤维则使复合材料更具损伤容限和抗冲击性[27]。增强织物中具有Kevlar/玻璃混编结构的复合材料在比机械强度、弯曲和冲击能量方面表现出更好的结果，混编复合材料的冲击行为取决于大量设计参数，如层压板厚度、表面处理和堆叠顺序。

实验发现，混编复合材料的能量吸收和损伤程度取决于层压板厚度[28]。考虑到损伤尺寸的影响，厚层压板似乎比薄层压板更不容易受到冲击损伤。此外，据报道，混编复合材料的堆叠顺序在决定复合材料的冲击行为方面起着重要作用，每层的位置改变了混编复合材料的冲击能量和能量吸收模式[29]。

Muhi 等人[30]通过实验和分析研究了与一层 Kevlar 29 纤维混合的E 玻璃纤维复合材料层压板在高速冲击下的行为。研究得出以下结论：Kevlar 层的加入提高了复合层合板的韧性（强度和延展性），从而提高了抗穿透性。研究发现 Kevlar 位置在控制吸收的能量方面起主导作用；在高速冲击的情况下，结构对这种载荷的响应和弹头几何形状非常敏感，使用钝-半球形-锥形弹丸吸收的能量会减少；从静态能量模型估计的残余速度值高于实验测量的残余速度。这意味着目标在动态穿透期间消耗的能量高于准静态情况，即使两种情况的失效模式相似，修正后的能量模型预测的剩余速度与半球形和锥形弹丸情况下的实验结果一致。

Kinani 等人[31]研究了与Kevlar 纤维混合的玻璃纤维增强复合材料层压板的准静态穿透阻力。具有不同堆叠顺序的混合复合材料经受不同的鼻形撞击器以表征混合效应。

Bandaru 等人[32]研究了混编对复合装甲弹道性能的影响，该装甲由Kevlar、玻璃纤维和碳纤维的各种组合和堆叠顺序增强，发现纤维的堆叠顺序是影响弹道性能的主要因素。例如，后侧采用Kevlar 纤维，外侧采用玻璃纤维，前侧采用碳纤维，就显示出良好的防弹性能。

5 总结

文章简要回顾了芳纶纤维的各种混编复合材料，以及复合材料在各种冲击条件下的行为。论述了层压板的抗冲击性，可广义地定义为研究层压板中异物冲击造成的损伤，特别关注混编所起的作用。就是将两种或两种以上的纤维在同一基质中混编，以提高抗冲击性和相关损伤容限，通过大量的实验研究影响损伤扩展的几个因素，了解了冲击损伤的发展和相关的失效模式。以上的研究有助于提升芳纶混编复合材料在更广领域的应用，并逐渐应用于航空航天、汽车、民用体育等更多领域。深入研究工业中使用的混编复合材料的冲击相互作用过程，以开发其在广泛领域应用。