芳綸1414裝甲材料的制備及拉伸性能探討

李 杜 陳清清 張玲麗 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226019）

纖維增強樹脂基裝甲材料具有低體積密度、高強高模、高比吸收能等優點，在滿足抵御一定口徑子彈威脅的同時還能滿足輕量化要求，其中熱塑性樹脂基裝甲材料較熱固性樹脂基裝甲材料具備更加優異的抗子彈沖擊性能和能量吸收性能［1］。但熱塑性樹脂黏度較大，不利于增強纖維的分布和樹脂的浸漬；通常采用預浸漬法以及后浸漬法進行改善，溶液浸漬法需要找到合適的溶劑［2］；熔體浸漬工藝主要用于耐溶劑，且黏度相對較小的聚合物［3-4］。粉末浸漬法浸漬效果與粉末細微程度有關，成本較高［5］；薄膜層疊法制備低孔隙率的復合材料較困難［6］；混紡紗浸漬法中不合適的纖維混和方式會損傷增強纖維，降低材料性能［7］；包覆紗作為浸漬法中混紡紗的一種，芯紗保持無捻狀態，能充分利用增強纖維的力學性能，也能使樹脂基體纖維與增強體纖維均勻分布，很大程度上減小了浸漬中樹脂流動的距離，克服了熱塑性樹脂浸漬難的問題。

裝甲材料的力學性能與防彈性能關聯密切，且裝甲材料也要滿足各種服役環境下基本的結構強度需求，因此裝甲材料的力學性能研究十分重要。何業茂等［8］研究發現，UHMWPE纖維增強熱塑性復合材料的抗彈道侵徹性能與其準靜態下的拉伸斷裂強度、層間剪切強度呈正相關的關聯機制。方心靈等［9］發現，樹脂含量在15%～25%時，無緯布的拉伸強度、層間剝離強度以及沖擊強度均表現優異，對應的防彈性能最好。LEE B L等［10］研究發現，織物紗線交錯方式會對其力學性能以及彈道沖擊性能產生很大的影響。KARBALAIE M等［11］研究發現，在120℃～130℃熱壓溫度范圍內，UHMWPE纖維復合材料的彎曲性能以及沖擊性能最優；程建芳［12］研究發現，模壓壓力對復合材料的彈道沖擊性能影響最大，能量吸收與復合材料的拉伸性能和剝離性能有著一致性。

本研究制備了錦綸芳綸1414包覆紗及系列平紋織物，利用熱壓工藝將平紋織物制備成裝甲材料，重點研究了成形工藝、含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響規律。

1 試驗部分

1.1 包覆紗的制備

采用HKV141D型包覆絲機，在導紗距離10.5 cm、內包捻度400捻/m、外包捻度320捻/m的雙包覆紗工藝下，將錦綸長絲（PA）分兩次纏繞到芳綸1414長絲表面，制備出雙包覆紗，其結構見圖1［13］。其中，芳綸1414線密度666.6 dtex，斷裂強力122.6 N；PA有兩種，線密度77.7 dtex的PA斷 裂強力3.2 N，線密 度155.5 dtex的PA斷裂強力5.1 N。加工的包覆紗共4種，包覆紗1外包紗/內包紗/芯紗為PA/PA/芳綸1414 155.5/155.5/666.6，另外包覆紗2至包覆紗4依次為PA/PA/（芳綸1414+PA）155.5/155.5/（666.6+77.7）、PA/PA/（芳綸1414+PA）155.5/155.5/（666.6+155.5）、PA/PA/（芳 綸1414+PA+PA）155.5/155.5/（666.6+77.7+155.5）。

圖1 雙包覆紗結構示意圖

1.2 包覆紗平紋織物的制備

采用SGA598型半自動織樣機，以包覆紗1為經紗、包覆紗1至包覆紗4為緯紗制備4種織物，分別記為織物1、織物2、織物3和織物4，織物單位面積質量依次為186 g/m2、200 g/m2、212 g/m2和232 g/m2，織物經密和緯密均為90根/10 cm。

1.3 裝甲材料的制備

將20 cm×20 cm的單層包覆紗平紋織物放入Carver4386型熱壓機中，經過加熱、加壓等步驟，確保在一定的溫度下PA熔融，并在壓力以及時間的作用下，PA樹脂可以充分完成對芳綸1414的浸漬，制得單層芳綸1414裝甲材料。

1.4 拉伸性能測試

參考GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》［14］，利用5969H型Instron萬能材料試驗機測試裝甲材料的拉伸性能，夾具間距120 mm，加載速度2 mm/min，每組樣品測試10次，取5個有效數據。

1.5 形貌分析

采用MC190-HD型光學顯微鏡觀察裝甲材料表面形貌以及拉伸破壞形貌。

2 結果與討論

2.1 成形工藝對裝甲材料拉伸性能的影響

影響裝甲材料性能的熱壓工藝因素有很多，試驗選取熱壓溫度（因素A）、熱壓壓力（因素B）、熱壓時間（因素C）作為變量，設計正交試驗L9（33），對緯向拉伸強度進行分析。因素水平表見表1，正交試驗設計方案及結果見表2，極差分析見表3。

表1 因素水平表

表2 正交試驗設計方案及結果

表3 對緯向拉伸強度的極差分析

由表2和表3可以看出，熱壓工藝參數對裝甲材料緯向拉伸強度影響的極差大小順序為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間，說明熱壓溫度對裝甲材料緯向拉伸強度影響最大，熱壓壓力次之，熱壓時間影響最小。通過表3可以得出，以緯向拉伸強度作為評價指標的最優工藝為A2B3C3，即為熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min。按照最優工藝進行試樣制備，所得試樣的緯向拉伸強度為369.8 MPa，其數值高于正交試驗表中所得到的最大拉伸強度356.3 MPa。這是因為，隨著熱壓溫度的升高，PA基體的黏度變小，有利于PA樹脂流動，也有利于PA樹脂對芳綸1414的浸潤；但熱壓溫度過高，既會引起PA氧化分解，也會影響芳綸1414的強度，影響復合材料的成形質量；隨著熱壓壓力、熱壓時間的增加，裝甲材料拉伸強度有所增加，適當的熱壓壓力以及熱壓時間既可以改善織物層間的熱量傳遞，促進PA的流動，也可以保證PA樹脂充分浸潤芳綸1414，提高裝甲材料承擔載荷的能力。

2.2 含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響

熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min條件下，對4種規格的包覆紗織物進行熱壓，得到含膠量依次為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料，其拉伸性能測試結果見表4。

表4 不同含膠量裝甲材料拉伸性能測試結果

由表4可以看出，含膠量在34%～45%內，裝甲材料的拉伸強度、模量均隨著含膠量的增加而下降；斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。這是因為，樹脂含量過低會導致樹脂無法很好地浸潤纖維，樹脂傳遞載荷的能力下降；但含膠量過高會導致復合材料受力時樹脂基體破壞，而非界面破壞，導致復合材料性能降低［15-16］。

由表4還可以看出，含膠量相同時，裝甲材料緯向拉伸強度、模量都優于經向。這是因為，在織造過程中，經紗會受到張力以及各種摩擦損傷；經紗在復合材料中存在形式屈曲度大于緯紗，在經向收到拉伸載荷時，經紗與受力方向形成一定夾角，降低了分擔載荷的效果，使得裝甲材料的經向拉伸強度不如緯向［17］。

2.3 裝甲材料拉伸過程分析

含膠量為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料受到拉伸載荷時的應力-應變曲線見圖2。

由圖2可以看出，經向的應力-應變曲線中a′-b′段曲線是斜率急劇上升，彈性模量較大；b′-c′段較平緩，斜率較小；c′-d′段曲線下降。沿著經向拉伸時，a′-b′段對應纖維與樹脂開始脫黏，樹脂碎裂，試樣表面泛白，此時PA樹脂最先破壞；b′-c′段對應載荷方向的紗線掙脫周圍的基體慢慢由彎曲變伸直，并承擔載荷；c′-d′段對應紗線開始斷裂直至破壞階段。緯向的應力-應變曲線中，a-b段應力隨應變的增加呈現近似線性增長趨勢，b-c段曲線下降。沿著緯向進行拉伸時，纖維與基體幾乎同時斷裂。

圖2 不同含膠量下的裝甲材料應力-應變曲線

2.4 裝甲材料拉伸破壞形貌分析

含膠量34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料經向和緯向受到拉伸載荷后的破壞形貌見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，從宏觀角度觀察，經向拉伸斷裂口相對不平整，緯向拉伸斷裂口平整；從細觀角度觀察，裝甲材料無論經向還是緯向，主要破壞方式為紗線斷裂以及樹脂碎裂。

圖3 裝甲材料經向拉伸破壞形貌

圖4 裝甲材料緯向拉伸破壞形貌

3 結論

（1）通過正交試驗得出了最佳的熱壓工藝，即當熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min時，所得裝甲材料拉伸強度最優。

（2）含膠量在34%～45%范圍內，裝甲材料的拉伸強度、模量隨著含膠量的增加而下降，斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。

（3）含膠量相同時，裝甲材料緯向拉伸強度和模量均優于經向。

（4）單層裝甲材料在受到拉伸載荷時，經向和緯向的破壞方式主要是紗線斷裂和樹脂碎裂。