[发明专利]一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法。所述防弹复合材料包括铺设于迎弹面的以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和铺设于背弹面的以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料。本发明通过将高强高模聚酰亚胺(PI)纤维铺设于迎弹面，高强高韧PI纤维铺设于背弹面，并通过热压将二者结合制备层压板，充分发挥了高强高模PI纤维应力波传输速率快和高强高韧PI纤维防弹效能高的优点。

技术领域

本发明涉及一种按模量匹配设计的防弹复合材料及其制备方法，属于防弹复合材料领域。

背景技术

当前防弹头盔、防弹衣所使用的防弹复合材料主要以高性能纤维增强树脂基复合材料为主。其中，纤维增强体的种类主要有芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。防弹复合材料的组成多由一种增强纤维与一种树脂基体构成，如芳纶纤维增强聚氨酯树脂防弹复合材料，这就导致复合材料中各层的力学性能完全相同。

有研究表明[孔春凤,田伟,翁浦莹,康凌峰,祝成炎.高性能纤维层叠复合材料的抗冲击性能研究[J].浙江理工大学学报(自然科学版),2016,35(03):367-371]，迎弹面纤维容易发生剪切破坏，背弹面纤维倾向于拉伸破坏，因此对迎弹面和背弹面进行差异化铺层结构设计可以有效提升复合材料的防弹效能。因此，有研究采用两种或两种以上纤维通过铺层组合设计制备防弹复合材料[孙杰,赵娟.纤维增强防弹复合材料的应用及研究现状[J].化纤与纺织技术,2021,50(01):7-11+53]，但其只利用了不同类型纤维在力学强度上的特性，如超高分子量聚乙烯纤维的高比强度和高比韧性，对位芳纶纤维的高强特性等，仅仅利用纤维的变形、断裂、脱粘来吸收能量。

防弹效能是能量吸收和能量扩散传播二者共同决定的，但现有技术在材料设计上未充分考虑到影响防弹效能的另一个因素，即应力波的传输速率。现有技术没有根据侵彻体的冲击作用和应力波传输特性进行组合设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种防弹复合材料及其制备方法。

本发明所提供的防弹复合材料，包括铺设于迎弹面的以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和铺设于背弹面的以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料。

所述高强高模纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s；

所述高强高韧纤维的拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数

式(1)为应力波传输速率公式；式(2)为防弹效能公式。其中，σ为纤维拉伸强度，ε为纤维断裂伸长率，ρ为纤维密度，E为纤维模量。

所述高强高模纤维可为PI纤维、PBO纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物，优选为PI纤维(拉伸强度≥2.5GPa，模量≥130GPa，根据式(1)计算的应力波传输速率C≥9500m/s)，更优选为S30M及其以上规格PI纤维；

所述高强高韧纤维可为PI纤维、PBO纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种的混合物，优选为PI纤维(拉伸强度≥3.0GPa，根据式(2)计算的防弹效能参数更优选为S35及其以上规格PI纤维；

所述增强体结构为单向布(UD布)或织物；

所述热塑性树脂为聚氨酯和/或聚乙烯醇缩丁醛及其改性树脂。

本发明还提供一种制备上述防弹复合材料的方法。

本发明所提供的制备所述防弹复合材料的方法，包括如下步骤：

1)分别制备以高强高模纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料和以高强高韧纤维为增强体的热塑性树脂基复合材料；