[发明专利]低BFS复合材料及其制备方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月6日提交的共同待审的美国临时申请序号No. 61/531,255的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。

发明背景。

发明领域

本发明涉及用于形成软质和硬质装甲两者的复合材料的制造方法。更具体地，本发明涉及具有改善的防弹性质，包括低背衬凹陷深度（ backface signature）的防弹纤维复合材料的制造方法。

相关技术描述

由包含高强度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。许多类型的高强度纤维是已知的，且各类型纤维具有自己的独特特征和性质。就此而言，纤维的一个定义性特征是纤维与表面涂料，如树脂涂料粘合或粘着的能力。例如，超高分子量聚乙烯纤维相对惰性，而芳族聚酰胺纤维具有含有极性官能团的高能表面。相应地，树脂通常对芳族聚酰胺纤维表现出比对惰性UHMW PE纤维强的亲合力。但是，合成纤维也通常已知自然倾向于静电积聚并因此通常要求施加纤维表面整理剂以利于进一步加工成可用的复合材料。纤维整理剂用于降低静电积聚，在无捻或非缠结纤维的情况中，有助于保持纤维内聚力。整理剂还润滑纤维表面，保护纤维免受设备破坏和保护设备免受纤维破坏。本领域教导了用于各种工业的许多类型的纤维表面整理剂。参见例如美国专利5,275,625、5,443,896、5,478,648、5,520,705、5,674,615、6,365,065、6,426,142、6,712,988、6,770,231、6,908,579和7,021,349，它们教导了用于纺成纤维的纺丝整理剂组合物。

但是，典型的纤维表面整理剂不是普遍合意的。一个重要原因是因为纤维表面整理剂会干扰聚合粘合剂材料在纤维表面，包括芳族聚酰胺纤维表面上的界面粘结或粘合。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物，尤其是非织造复合材料，如Honeywell International Inc. of Morristown, NJ生产的非织造SPECTRA SHIELD?复合材料的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的粘合不足可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。在尝试将保护性聚合组合物施加到机织物上时也认识到类似的粘合问题。这有害地影响此类复合材料的防弹性质（防弹性能）并造成灾难性的产品失效。

复合材料装甲的防弹性能可以以不同的方式表征。一个常见特征是V₅₀速度，其是实验得出的、统计计算的冲击速度，在该速度下预期该时间中射弹50%完全穿透装甲和在该时间中50%被装甲完全阻挡。对于面密度（即复合板的重量除以表面积）相等的复合材料，V₅₀越高，该复合材料的抗穿透性越好。但是，即使防弹装甲足以防止射弹穿透，但射弹在装甲上的冲击也会造成显著的非穿透性钝伤（“创伤”）。相应地，防弹性能的另一重要量度是装甲背衬凹陷深度。背衬凹陷深度（“BFS”）——在本领域中也被称作背衬变形（backface deformation）或trauma signature，衡量由子弹冲击造成的防弹衣变形深度。当子弹被复合材料装甲挡住时，可能造成的钝伤有可能像子弹穿透装甲并进入身体时那样对个体是致命的。这尤其在头盔装甲领域中发生，其中由挡住的子弹造成的瞬时凸出仍穿过佩戴者颅骨的平面并造成使人衰弱或致命的脑损伤。

复合材料的V₅₀防弹性能已知与该复合材料的组分纤维的强度直接相关。纤维强度性质，如韧度和/或拉伸模量的提高已知与V₅₀速度的提高相关联。但是，尚未类似地认识到随纤维强度性质提高而相应地改进背衬凹陷深度降低。因此，在本领域中需要制造具有优异的V₅₀防弹性能以及低背衬凹陷深度的防弹复合材料的方法。本发明为这一需求提供解决方案。

已经意外地发现，在由射弹冲击造成的背衬凹陷深度与防弹复合材料的组分纤维互相层离和/或与纤维表面涂料层离的倾向之间存在直接相关性。通过改进纤维表面与纤维表面涂料之间的粘合，降低纤维-纤维分离和/或纤维-涂料层离效应，由此提高纤维上的摩擦和提高射弹与纤维的咬合。相应地，改进复合材料结构性质并以降低复合材料背衬变形的方式耗散射弹冲击能量。