Silly PuttY-Kevlar纤维复合材料的抗冲击性能研究

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近年来,由于国际恐怖主义和地区冲突的不断蔓延,研制出防护性能可靠且穿戴舒适的防护服已成为热点之一。虽然Kevlar、超高分子量聚乙烯纤维等高强度柔性纤维已经作为防护材料被广泛应用。但这一类防护服通常需要很多层纤维组成或者将纤维和金属、陶瓷等相互组合,才能满足防弹要求,这便损失了穿戴舒适性。而采用性能独特的智能材料与高强度柔性纤维复合,是一种提高防护性能又保证穿戴舒适性的有效方法。剪切增稠材料便是一种具有特殊性能的智能材料,其力学性能对应变率非常敏感,低应变率下柔软会流动,应变率升高,例如受到冲击时,材料的模量和强度会大幅增加,转变为坚硬固体,起到耗散能量和防护作用。Silly Putty(SP)便是其中一种,由于易于制备、性能稳定、无需严格密封等优点,SP作为高强度柔性纤维材料的增强材料,有很好的应用潜力。  本文基于Silly Putty和Kevlar,制备了两种类型的抗冲击复合材料,并设计了不同速度范围的冲击测试试验系统,探究了复合材料的抗冲击性能。具体研究内容如下:  1、制备了不同含量的CaCO3增强的SP-CaCO3复合材料。并将此SP-CaCO3作为夹芯,两层Kevlar纤维作为面板,制备出Kevlar/SP/Kevlar三明治结构的复合材料。SP-CaCO3的模量随频率的变化,展现显著的剪切变硬性能。分别使用高速子弹和低速落锤冲击试验系统对样品进行冲击测试,结果表明,以更高含量的CaCO3的SP-CaCO3作为夹芯的三明治复合材料有着更高的能量损耗,且在高速冲击下由于剪切变硬效应能耗散更多冲击能量。  2、使用“溶解-挥发”的方法制备不同层数的Kevlar/SP。设计了多点受力测试系统,并使用低速落锤和高速子弹冲击试验系统对不同层数的Kevlar以及Kevlar/SP进行冲击测试。结果表明,具有与Kevlar相同面密度的Kevlar/SP减少了样品厚度,衰减了更多的冲击力。中心受力被衰减的同时,周边受力增加,说明冲击力被有效分散、衰减。另外,单层、三层Kevlar/SP的纤维束拉出力和拉出过程中的横向纤维变形均比Kevlar大,说明SP增加了Kevlar层内纤维和层间的摩擦力,这使冲击力得以分散和衰减。  3、分别制备了相同面密度、相同SP含量的Kevlar/SP/Kevlar和2层Kevlar/SP,并使用高速子弹冲击测试系统进行穿透测试,对两种复合方式的Kevlar-SP复合材料性能进行对比。结果表明,Kevlar/SP/Kevlar的能量耗散高于Kevlar/SP,说明Kevlar/SP/Kevlar比Kevlar/SP拥有较强的防护性能,且制备过程更为简单,还可以在SP中添加补强颗粒,是一种更为有效的复合方式。
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