兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 35-43.doi: 10.12382/bgxb.2022.0578
王哲1,2, 刘鹏1, 陈婧1, 黄广炎1,2, 张宏1,2,*()
收稿日期:
2022-06-28
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
基金资助:
WANG Zhe1,2, LIU Peng1, CHEN Jing1, HUANG Guangyan1,2, ZHANG Hong1,2,*()
Received:
2022-06-28
Online:
2024-01-30
摘要:
芳纶凭借其轻质高强的特点广泛应用于防弹领域。为提高单层芳纶织物的抗钝伤能力,采用热塑性树脂聚乙烯(Polythene,PE)与石墨烯纳米粒子表面改性方法提升芳纶织物的抗钝伤性能。以背衬凹陷为标准,对不同质量配比改性芳纶织物的抗钝伤能力和能量吸收特性进行测试对比。对比结果表明:石墨烯和PE两种改性方法均可提升芳纶织物的抗钝伤能力,其中PE改性方法使得改性织物面密度增加较小但抗钝伤能力显著提升,10%PE的防弹能力和比吸能值较纯芳纶分别提升了18.0%和30.8%;石墨烯改性织物刚性的增加使其低速抗钝伤能力增强,但是过大的纱线间摩擦使其高速防护能力减弱,2%石墨烯粉体为石墨烯改性织物的最佳配比。此外,优化验证得到了2层10%PE和13层的6层正交超高分子量PE无纬布防弹衣组合设计。
中图分类号:
王哲, 刘鹏, 陈婧, 黄广炎, 张宏. 弹道冲击下石墨烯和聚乙烯改性芳纶织物的钝伤防护性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 35-43.
WANG Zhe, LIU Peng, CHEN Jing, HUANG Guangyan, ZHANG Hong. Blunt Trauma Resistance of Graphene and Polyethylene-modified Aramid Fabrics under Ballistic Impact[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 35-43.
织物类型 | 浸渍液质量分数/ wt.% | 平均面密度ρS/ (×10-3kg·m-2) | 增重/ % | |||
---|---|---|---|---|---|---|
GR | PE | 无水乙醇 | 前 | 后 | ||
Twaron | 0 | 0 | 0 | 200 | 200 | 0 |
10%PE | 0 | 10 | 90 | 200 | 213 | 6.5 |
20%PE | 0 | 20 | 80 | 200 | 221 | 10.5 |
30%PE | 0 | 30 | 70 | 200 | 231 | 15.5 |
20%PE+1%GR | 1 | 20 | 79 | 200 | 224 | 12.0 |
20%PE+2%GR | 2 | 20 | 78 | 200 | 231 | 15.5 |
20%PE+3%GR | 3 | 20 | 77 | 200 | 239 | 19.5 |
10%PE+2%GR | 2 | 10 | 88 | 200 | 217 | 8.5 |
表1 改性织物参数
Table 1 Parameters of the composite fabrics
织物类型 | 浸渍液质量分数/ wt.% | 平均面密度ρS/ (×10-3kg·m-2) | 增重/ % | |||
---|---|---|---|---|---|---|
GR | PE | 无水乙醇 | 前 | 后 | ||
Twaron | 0 | 0 | 0 | 200 | 200 | 0 |
10%PE | 0 | 10 | 90 | 200 | 213 | 6.5 |
20%PE | 0 | 20 | 80 | 200 | 221 | 10.5 |
30%PE | 0 | 30 | 70 | 200 | 231 | 15.5 |
20%PE+1%GR | 1 | 20 | 79 | 200 | 224 | 12.0 |
20%PE+2%GR | 2 | 20 | 78 | 200 | 231 | 15.5 |
20%PE+3%GR | 3 | 20 | 77 | 200 | 239 | 19.5 |
10%PE+2%GR | 2 | 10 | 88 | 200 | 217 | 8.5 |
试样 | 靶板种类 | 面密度/ (kg·m-2) | 入射速度/ (m·s-1) | 凹陷/ mm | 穿透/ 层 |
---|---|---|---|---|---|
A | 2×(10%PE+2%GR)+ 13×6UD | 4.78 | 327 | 9.03 | 3 |
B | 2×(10%PE)+13×6UD | 4.81 | 471 | 9.03 | 5 |
C | 2×(10%PE+2%GR)+ 22×4UD | 4.96 | 353 | 9.62 | 7 |
D | 2×(10%PE)+22×4UD | 4.96 | 353 | 7.25 | 5 |
表2 防弹衣实验结果
Table 2 Body armor experimental results
试样 | 靶板种类 | 面密度/ (kg·m-2) | 入射速度/ (m·s-1) | 凹陷/ mm | 穿透/ 层 |
---|---|---|---|---|---|
A | 2×(10%PE+2%GR)+ 13×6UD | 4.78 | 327 | 9.03 | 3 |
B | 2×(10%PE)+13×6UD | 4.81 | 471 | 9.03 | 5 |
C | 2×(10%PE+2%GR)+ 22×4UD | 4.96 | 353 | 9.62 | 7 |
D | 2×(10%PE)+22×4UD | 4.96 | 353 | 7.25 | 5 |
[1] |
中华人民共和国公安部. 警用防弹衣:GA 141—2010[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.
|
Ministry of Public Security of the People’s Republic of China. Police bulletproof vest:GA 141—2010[S]. Beijing: China Standard Press, 2010. (in Chinese)
|
|
[2] |
袁承军. 软质防弹材料现状及防弹衣发展趋势[J]. 轻兵器, 2005(10): 8-9.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
石凌飞, 刘春美. “警盾-2019”防护装备公开比测活动概况及启示[J]. 警察技术, 2020(1):62-68.
|
|
|
[6] |
何业茂, 焦亚男, 周庆, 等. 弹道防护用先进复合材料弹道响应的研究进展[J]. 复合材料学报, 2021, 38(5):1331-1347.
|
|
|
[7] |
doi: 10.1016/j.compositesb.2016.04.071 URL |
[8] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2019.110966 URL |
[9] |
王凤德, 陈超峰, 朱建生, 等. 对位芳纶在防弹领域的应用[J]. 高科技纤维与应用, 2011, 36(3):8-12.
|
|
|
[10] |
乔咏梅, 余铜辉. 软质防弹衣结构分析与性能研究[J]. 警察技术, 2017(3):81-84.
|
|
|
[11] |
李晓霞, 赖西南, 王建民, 等. 高速小口径步枪弹致防弹衣后猪背部钝性损伤特点[J]. 第三军医大学学报, 2012, 34(18):1811-1813.
|
|
|
[12] |
张波, 赖西南, 康建毅, 等. 步枪弹击中背部防弹衣后脊柱脊髓钝性损伤的生物力学机制[J]. 中华创伤杂志, 2015, 31(3): 278-281.
|
|
|
[13] |
周庆, 刘婷, 何业茂. 防弹装甲中新型抗凹陷材料的研究[J]. 中国个体防护装备, 2019(1): 22-26.
|
|
|
[14] |
王天坤, 俞科静, 钱坤, 等. STF/UHMWPE复合材料的高速冲击性能[J]. 材料科学与工程学报, 2015, 33(6):895-898.
|
|
|
[15] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114638 URL |
[16] |
饶崛, 徐卫林. 热状态下UHMWPE纤维的力学性能[J]. 纺织学报, 2009, 30(1):5-8,17.
|
|
|
[17] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.03.004 URL |
[18] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.10.014 URL |
[19] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103654 URL |
[20] |
陈虹, 艾青松, 吴中伟, 等. 石墨烯改性防弹材料研究进展[J]. 工程塑料应用, 2021, 49(2):162-166.
|
|
|
[21] |
doi: 10.1088/1361-665X/aaca4b URL |
[22] |
doi: 10.1088/1757-899X/225/1/012061 URL |
[23] |
吴中伟, 张慧, 艾青松, 等. 芳纶防弹防刺材料研究[J]. 合成纤维, 2021, 50(6):36-40.
|
|
|
[24] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2007.07.007 URL |
[25] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2020.112776 URL |
[26] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2021.115152 URL |
[27] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2007.04.003 URL |
[28] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2004.11.005 URL |
[29] |
doi: 10.1016/j.compositesb.2014.02.022 URL |
[30] |
doi: 10.1177/0040517519833970 URL |
[1] | 李伟萍, 龙知洲, 陈珺娴, 张华, 马天. 混杂结构复合材料防弹性能研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2136-2142. |
[2] | 郑秋杰, 郭迎福, 蔡志华, 张磊. 步枪弹高速冲击下防弹头盔功能梯度泡沫内衬的防护性能[J]. 兵工学报, 2021, 42(6): 1275-1282. |
[3] | 付杰, 李伟萍, 黄献聪, 刘强, 刘晓林, 马天. 新型超高分子量聚乙烯膜材料防弹性能及机理[J]. 兵工学报, 2021, 42(11): 2453-2464. |
[4] | 张晓颖, 李胜杰, 李志强. 爆炸载荷作用下夹层玻璃动态响应的数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1379-1388. |
[5] | 何柏灵, 赵桂平, 卢天健. 复合材料面层-泡沫金属夹芯板的振动及吸能特性分析[J]. 兵工学报, 2014, 35(2): 228-234. |
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