孙西超，李艳清，b，伍 仲，祝成炎，b*

（浙江理工大学，a.材料与纺织学院，b.现代纺织加工技术国家工程技术研究中心，杭州310018））

STF-柔性复合材料的防弹性能研究

孙西超a，李艳清a，b，伍 仲a，祝成炎a，b*

（浙江理工大学，a.材料与纺织学院，b.现代纺织加工技术国家工程技术研究中心，杭州310018））

为了研究STF-柔性复合材料的防弹性能和冲击耗能模式，首先使用纯Kevlar织物和STF的分散体系按照一定的工艺复合制备成STF-柔性复合材料，然后采用万能材料试验机对其进行拉伸性能测试，并借助气控高速发射装置分别对不同SiO2固含量以及不同铺层角度的STF-柔性复合材料进行防弹性能测试，以单位面积吸收的能量来表征其防弹性能。结果表明：万能材料试验机低速作用时，纯Kevlar织物和STF-柔性复合材料断裂强力基本一致，说明STF的黏度不会剧烈增加而影响人们的活动；随着SiO2固含量由0增加到45%，单位面积吸收能量由78.8 J·m2/kg增加到87.4 J·m2/kg，说明STF-柔性复合材料的防弹效果变佳；铺层角度对防弹性能的影响由优到劣的顺序为45°、90°、0°。

复合材料；剪切增稠液体；防弹性能；耗能模式

0 引 言

近年来，随着科技的进步与发展，人们对防弹材料的研究就一直没有停止过，保护从事特殊工作人员的生命安全成为当今社会的一个主题［1-2］。防弹材料由金属材料、非金属材料发展到今天的复合材料。美国合成物质研究中心和武器原料研究理事会在20世纪90年代合作研究STF，并将其应用于个体防护装甲［3］；Wetzel E D等［4］人将剪切增稠液体（STF）与芳纶织物织物复合，并且用实验证明了STF可以提高防弹衣的强度，同时也减轻了质量，织造出柔韧性较好的防护设备；徐素鹏等［5］研究了STF与超高分子量聚乙烯织物（机织物和无纺布）复合材料的防弹防刺性能，发现此复合材料能吸收大量的冲击能量而放在最外层。相关研究表明［6-8］，STF处于平衡状态时呈液态，当受到高速突然冲击时，STF体系的黏度瞬间增大，阻碍子弹的入侵，即将STF与Kevlar织物复合所形成的STF-柔性复合材料具有一定的研究价值。

本文利用JSM-5610LV扫描电镜观察SiO2的分布，从而确定了STF与芳纶织物的复合工艺［9-10］；对比分析了不同SiO2固含量对STF-柔性复合材料的拉伸性能的影响；采用气控高速发射装置测试并分析了不同SiO2固含量和不同铺层角度的STF-柔性复合材料的防弹性能。

1 实验部分

1.1 防弹性能表征方法

在侵彻过程中，材料的防弹性能受到很多因素的影响，为了更好地分析材料的防弹效果和探索防弹材料的制备工艺，根据文献［11-12］可知，材料防弹性能指标的计算公式为：

式中：E-吸收能量（J）；

m-子弹的质量（kg）；

v1-子弹的剩余速度（m/s）；

v2-子弹的入射速度（m/s）；

Im-单位面积吸收能量（J·m2/kg）；

ρ-多层材料的面密度（kg/m2）；

ρD-单层材料的面密度（kg/m2）；

N-材料的层数。

在实验测试条件相同的情况下，当材料被穿透时，材料的Im的数值越大，表明材料的防弹性能越好；当材料部分被穿透时，未被穿透的材料的防弹性能比被穿透的材料的防弹性能好。

1.2 STF-柔性复合材料的制备工艺

a）实验所用Kevlar织物裁剪成170 mm× 170 mm的正方形，其织物规格为经纬密94×94（根/10 cm）、面密度207 g/m2，然后将之放置于LC-213型鼓风干燥箱中2 h，其温度设为50℃。

b）用粒径为20 nm的SiO2和分子量为200的PEG制备STF，其中STF分散体系中SiO2的固含量分别为35%和45%。将上述处理后的Kevlar织物浸泡在STF和无水乙醇的质量比为1∶1.5的稀释液中5 min，在浸渍的同时，在温度设定为25℃的KQ-250DE型超声波震荡仪作用30 min，其功率为100 W，使得STF均匀的分散在织物中。

c）将带有无水乙醇的STF-柔性复合材料放置于LC-213型鼓风干燥箱中作用13 min，除去无水乙醇。

1.3 测试方法

采用Instron 3367万能材料实验机，参照国标GB/T 7689.5-2001测试STF-柔性复合材料的拉伸性能；利用气控高速发射装置测试STF-柔性复合材料的防弹性能；借助JSM-5610LV扫描电镜分析STF-柔性复合材料的破坏模式。

2 结果与讨论

2.1 STF-柔性复合材料的制备工艺分析

图1为纯Kevlar织物和STF与织物复合后试样的SEM图。从图1中可以看出，Kevlar纤维表面上SiO2颗粒呈均匀分布，即STF能够均匀地浸渍在织物中，表明STF-柔性复合材料的制备工艺参数设置合理。

图1 纯Kevlar织物和STF-柔性复合材料的SEM图

2.2 STF-柔性复合材料的拉伸性能分析

图2为纯Kevlar织物、STF-柔性复合材料的经向和纬向的拉伸曲线。从图2中可知，纯Kevlar织物和STF-柔性复合材料在拉伸断裂前发生了一定的形变，但并没有屈服点，而其在拉伸断裂时所发生的形变主要是Kevlar纤维的弹性形变。主要是因为纱线在被拉伸时纱线中的纤维发生了断裂和相互滑移，而纱线中的纤维由内层到外层的伸长变形依次减小。随着STF的浓度增大，层间粘结度逐渐提高，进而改变了Kevlar纤维的脆性。载荷在一定范围内不断增加，脆化的纤维开始大面积的断裂，最终导致STF-柔性复合材料完全断裂。随着SiO2的质量分数的增加，纯Kevlar织物和由SiO2配制不同质量分数的STF-柔性复合材料的经向和纬向的最大拉伸应力和拉伸应变基本不变。这一结果表明STF-柔性复合材料在50 mm/min的速度拉伸时，STF没有剪切增效应，即不能改善织物的拉伸断裂强力和拉伸应变等基本性能，人们自由活动时，不会使得STF体系的黏度增加。

图2 织物的经向、纬向拉伸性能曲线

2.3 STF-柔性复合材料的防弹性能分析

为了研究铺层角度和SiO2固含量对STF-柔性复合材料防弹性能的影响，设计了3组实验，每组为3个不同SiO2固含量的试样，STF是由20nmSiO2和PEG200制备而成。

a）按照工艺将乙醇完全挥发的单层STF-柔性复合材料将其经向和纬向有序铺层，即相邻两层材料经向与经向或者纬向与纬向之间铺层成一定的交叉角，设计的铺层角度分别为0°、45°和90°，其示意图如图3所示。

图3 铺层角度示意

b）试样层数为5层，设置XLB25-D平板硫化机压力为1.25 MPa，工作时间30 min，温度为105℃，使TPU（热塑性氨纶弹性体）树脂融化，其中TPU的型号为WINSMILE，规格为16 cm×1 cm，置于四周，连接各层。气控高速发射装置的实验测试数据如表1所示。

表1 试样的防高速冲击性能

将表1中三组中对应的铺层角度0°、45°和90°的Im各自取平均值，分析铺层角度对STF-柔性复合材料的防弹性能的影响。

图4中a、b和c分别代表5层铺层角度为0°、45°和90°的防弹材料单位面积的吸收能量直方图。可以看出，在三组试样中，当铺层角度为45°时，单位面积吸收能量最多，铺层角度为90°比铺层角度为0°的材料单位面积吸收的能量多，即材料的防弹性能由强到弱的铺层角度依次是45°＞90°＞0°，且在铺层角度相同时，随着STF中SiO2的固含量的增加，材料在单位面积的吸收能量越多。这是因为子弹与防弹材料作用时，裂纹［13］沿厚度方向扩展，剪切和破坏Kevlar纤维使之拉伸变形和断裂，当铺层角度发生变化时，裂纹扩展到与上一层铺层角度不同的层间界面时，使之向薄弱的界面扩展，有效地阻碍了裂纹在厚度方向上的扩展，材料吸收更多的能量；铺层角度为45°与铺层角度为0°、90°相比，更多的Kevlar纤维处于拉伸模式，而复合材料拉伸耗能高于剪切变形耗能，所以当铺层角度为45°时，单位面积吸收能量最多；铺层角度为90°比铺层角度为0°的径向纱线更多的参与吸能。STF-柔性复合材料的主要组成部分是STF和Kevlar织物，其中Kevlar纤维具有拉伸性能优和热稳定性良好的特性，即Kevlar织物在受到子弹的冲击时可以保持其较好的力学稳定性和剪切应力下的高断裂伸长率，大量Kevlar纤维参与吸收能量，使得人体免于伤害。STF在高速冲击时，STF的黏度增加，即提高了Kevlar纤维之间的摩擦力［14］，同时Kevlar纤维从TPU树脂的拔出吸收能量，TPU树脂裂开以及层间分裂吸收能量，有效阻止子弹冲击。

图4 不同铺层角度的单位面积吸收能量

2.4 STF-柔性复合材料的主要耗能模式

图5中，a图和b图为织物的弹孔正面图，c图和d图为织物的弹孔反面图。STF-柔性复合材料吸收子弹的动能的主要方式有：图a中的Kevlar纤维主要发生了断裂和部分变形，而Kevlar纤维在b图中则表现为受到子弹的剪切力作用而断裂，c图和d图主要是Kevlar纤维的变形、抽出和部分断裂，也就是说，STF-柔性复合材料在受到子弹冲击时，前面的Kevlar纤维主要发生了剪切断裂，后面的Kevlar纤维主要发生了变形和抽出。

图5 弹孔处纤维的微观图

3 结 论

a）从STF-柔性复合材料的合理的制备工艺为：纯芳纶织物置于温度设为50℃鼓风干燥箱中，并处理2 h，然后将干燥后的纯芳纶织物在无水乙醇与STF的质量比为1.5∶1的混合体系中浸泡5 h，最后采用鼓风干燥箱将复合材料中的无水乙醇除去。

b）从STF-柔性复合材料和纯芳纶织物的拉伸性能曲线图中可以看出，其拉伸断裂强力基本没有变化，表明在速度较小的外力牵引下即人们穿着STF-柔性复合材料时，STF的黏度不会剧烈增加而影响人们的活动。

c）随着铺层角度的变化，STF-柔性复合材料的防弹性能由强到弱的铺层角度依次是45°＞90°＞0°，且在铺层角度相同时，随着STF中SiO2的固含量的增加，STF-柔性复合材料的防弹性能越好。

d）STF-柔性复合材料消耗冲击动能主要是STF体系的黏度增加，提高Kevlar纤维之间的摩擦力，其耗能形式为Kevlar纤维断裂、变形和抽出。

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Study on BuIIetproof Property of STF-fIexibIe Composite

SUN Xi-chaoa，LI Yan-qinga，b，WU Zhonga，ZHUCheng-yana，b*
（a.School of Materials and Textiles；b.National Engineering Technology Research Center of Modern Textile Manufacturing Technology；c.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

To study the bulletproof property and impact energy consumption mode of STF-flexible composites，pure Kevlar fabric and STF dispersion system are used to prepare the STF-flexible composites according to certain technology firstly.Then，the universal material testing machine is used to test tensile property.With the help of a pneumatic high-speed launchers，the bulletproof property of STF-flexible composites with different SiO2solid content and different layering angles is tested.The bulletproof property is expressed with the energy absorbed pre unit area.The results show that when universal material testing machine was at a low speed，breaking strength of pure Kevlar fabric and STF-flexible composites isbasically consistent.This indicates that the viscosity of STF will not sharply increase or influence people's activities.With the increase in SiO2content from 0 to 45%，the absorbed energy per unit area increases to 87.4 J·m2/kg from 78.8 J·m2/kg.This means the bulletproof property of STF-flexible composites becomes better.The descending order of the influences of the layering angles on bulletproof property is as follows：45°，90°and 0°.

composite；shear thickening fluid；ballistic property；energy consumption mode

1673-3851（2014）02-0127-06

TB334

A

（责任编辑：张祖尧）

2013-09-06

浙江省国际科技合作专项（合作研究）项目（2012C24013）

孙西超（1988-），男，安徽亳州人，硕士研究生。主要研究方向为现代纺织技术及新产品研究。

祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn