2O世紀(jì)70年代以來(lái)，復(fù)合材料開(kāi)始在防護(hù)過(guò)程中大量使用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)和高沖擊損傷容限等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、人體、車(chē)輛以及艦船重要艙室等防護(hù)領(lǐng)域受到了研究人員的青睞，并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。子彈與復(fù)合材料作用過(guò)程中發(fā)生侵徹，表現(xiàn)出了多種不同的破壞模式，如纖維的拉伸斷裂、層合板的分層、纖維和樹(shù)脂的脫粘及材料產(chǎn)生的背凸等。彈體動(dòng)能就是在這些破壞中被逐漸消耗，從而達(dá)到了防彈的效果。本文針對(duì)彈道沖擊下子彈與復(fù)合材料的作用機(jī)理和破壞模式展開(kāi)了分析，并根據(jù)子彈與復(fù)合材料在不同階段的作用機(jī)理對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外防彈復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。此外，影響復(fù)合材料防彈性能的因素很多，其中主要包括增強(qiáng)體、基體、界面和梯度結(jié)構(gòu)等因素。對(duì)此，本文探討了包括天然纖維在內(nèi)的纖維種類(lèi)、織物組織結(jié)構(gòu)、面密度、基體的性能、含量、纖維與樹(shù)脂間界面性能以及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素對(duì)防彈性能的影響。
1彈體與防彈復(fù)合材料的作用機(jī)理
1．1應(yīng)力波的傳播機(jī)理
應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動(dòng)的傳播形式，在可變形固體介質(zhì)中機(jī)械擾動(dòng)表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)速度和相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化。在彈道沖擊中，子彈與靶板接觸的瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力波以?xún)蓚€(gè)方向傳播，一是以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播，受到?jīng)_擊的纖維通過(guò)基體樹(shù)脂及交錯(cuò)點(diǎn)的相互作用，應(yīng)力波在很多纖維上擴(kuò)散開(kāi)來(lái)；二是應(yīng)力波的沿靶板縱向傳播，應(yīng)力波在靶板的織物和基體界面及靶板自由面之間產(chǎn)生連續(xù)反射，使壓力變成拉應(yīng)力。
研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波在兩種不同的材料中傳播時(shí)，當(dāng)傳至兩種材料的界面會(huì)產(chǎn)生入射波和反射波口]，而且應(yīng)力波在產(chǎn)生塑性變形的材料中的傳遞較在彈性變形材料中的傳遞規(guī)則許多。應(yīng)力波在纖維中傳播速度主要取決于纖維的楊氏模量I5及其在復(fù)合材料中的狀態(tài)。一般，材料的模量越高，質(zhì)量越低，應(yīng)力波傳播的速度越快。關(guān)于纖維形態(tài)對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響，陳利民_6通過(guò)對(duì)Kevlar一29和尼龍66織物研究，認(rèn)為織物中的纖維若存在交迭點(diǎn)或縐縮會(huì)使應(yīng)力波產(chǎn)生反射，影響應(yīng)力波在其中傳播(如圖1)。表1為應(yīng)力波在幾種自由纖維(皺縮率為0的纖維)和織物中的傳播速度，從表中可以看出，纖維模量越高，應(yīng)力波的傳播速度就越快，自由纖維傳播應(yīng)力波的能力明顯高于經(jīng)向纖維和緯向纖維。因此，在防彈復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，需兼顧纖維的力學(xué)性能及纖維在織物中的狀態(tài)。
1．2高速?zèng)_擊下復(fù)合材料吸能方式及破壞模式
防彈復(fù)合材料吸能方式主要包括：纖維的變形、纖維的拉伸斷裂、分層、基體開(kāi)裂、材料的剪切破壞、彈體與復(fù)合材料的摩擦和“背凸”的形成等。吸能較多的為材料的分層、纖維的拉伸斷裂及基體開(kāi)裂，其他方式則相對(duì)較少。其中材料的分層主要取決于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纖維的斷裂主要取決于纖維強(qiáng)度，而基體的開(kāi)裂主要取決于所選基體的性能。
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