1 前言
    随着战争条件的不断改变，满足现代战争需要的新型装甲防护材料广泛应用于武器系统的防护领域。抗弹纤维复合材料具有优良的物理机械性能，其比强度和比模量高于金属材料，抗声震疲劳性、减震性能也大大超过金属材料。此外该类材料还具有良好的动能吸收性,且无“二次杀伤效应”,因而具有良好的抗弹性能^[1,2]。更重要的是在抗弹性能相当的情况下，复合材料的质量较金属材料大大减轻，从而使武器系统具有良好的机动性，对于装甲车辆的轻量化具有重要意义^[3]。
    连续玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，熔融后通过铂铑合金拉丝漏板制成的^[4]。它与玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维等相比具有独特的优点^[5]：①原料来源广泛，成本低；②突出的耐高温性能；③耐酸碱腐蚀性能优异；④电磁波透过性好；⑤吸湿率比玻璃纤维低6~8倍。因而连续玄武岩纤维增强树脂基复合材料以其独特的性能在冶金、化工、建筑、航空航天、兵器等领域将具有较广阔的应用前景^[6]。本试验对基体树脂种类与含量、纤维织物结构以及纤维表面处理对玄武岩纤维复合材料抗弹性能的影响进行了研究。
2 试验部分
2.1 主要原材料和设备
    防弹靶板所用主要原材料见表1。

          
    主要设备仪器有DSC-1缠绕机，哈尔滨玻璃钢研究所生产；YX-100压力成型机，上海伟力机械厂制造；QUANTA200型扫描电子显微镜，美国FEI公司。 [-page-]
2.2 试验方法
2.2.1 纤维表面处理及靶板制备
    将KH550和沃兰处理剂分别配成浓度为2%的水溶液，将玄武岩纤维分别放入两种处理剂溶液中浸泡，至规定时间后取出放入真空烘箱，在80℃下真空加热30min除去溶剂，再在110℃下反应90min。
    纤维在缠绕机上完成预浸料制备。将预浸料放在模具里，升温至140℃，在5MPa压力下固化成型为玄武岩纤维复合材料靶板。
2.2.2 υ₅₀测试和比吸能计算
    υ₅₀弹道极限速度是评估材料抗弹性能的一个重要指标^[7]。所谓υ₅₀值是指射出的弹体,50%通过靶板时全部弹速的算术平均值，一般取六发弹的速度,其中三发为弹体侵彻靶板未穿的高速度和三发穿透的低速度,六发弹速的大值与小值之差不大于50m・s^-1。

 
    其中，m为弹体质量；υs、υr分别为弹体入靶速度和出靶速度。
    比吸能性是评估材料抗弹性能的一个重要指标，它是靶板吸收能量与靶板面密度之比，其数值大小代表着材料抗弹性能的好坏，比吸能计算公式：

           
    其中Sea为靶板比吸能;m为入射弹丸质量；Ps为靶板面密度。
    本试验采用7.62mm 53式弹道枪，使用1.1g碎片模拟弹进行υ₅₀和比吸能性的测试。试验装置如图1所示。

   
3 结果与讨论
3.1 基体种类与含量对复合材料抗弹性能的影响
    不同基体材料的连续玄武岩纤维复合材料在不同基体含量下的抗弹性能试验结果如图2所示。

 
    从图2中可以看出，基体材料的种类和含量对连续玄武岩纤维复合材料的抗弹性能有很大影响。当采用热固性的环氧乙烯基树脂为基体时的抗弹性能优于以热塑性的PE树脂为基体时的抗弹性能，这与玻纤复合材料相似^[8]，而与芳纶纤维、高强聚乙烯纤维复合材料有明显差异^[9,10]。这主要是由于基体不同时，弹丸对复合材料靶板的冲击作用过程不同。对于以热塑性树脂为基体的复合材料，在受到弹丸的高速冲击作用时，由于基体的柔顺性较好，在受到弹丸的冲击作用时，复合材料靶板会发生较大的形变。对于芳纶纤维、高强聚乙烯纤维复合材料，由于这种形变可以吸收弹丸的部分冲击能量，因而是有利的。而对连续玄武岩纤维、玻纤纤维增强的树脂基复合材料来说，由于纤维脆性较大，部分纤维会因靶板的变形而发生断裂，从而导致复合材料抗弹性能下降。
    而对于以热固性树脂为基体的复合材料，由于基体的刚性较大，因此受到弹丸冲击时复合材料靶板形变较小，主要通过基体良好的弯曲和压缩强度以及纤维的高拉伸强度来吸收能量，从而可以充分发挥纤维的高能量吸收能力，抗弹性能也较好。
    从图2中还可以发现，随着基体树脂含量的提高，复合材料的抗弹性能下降，而且下降的幅度逐渐增强。这主要是由于当纤维含量较低时，纤维之间的协同作用减弱，弹丸的冲击容易使靶板发生开裂或分层，发生横向移动，部分纤维随基体一起移动却不再承受任何应力，不能充分发挥全部纤维的高拉伸特性，因而抗弹性能降低。 [-page-]
3.2 织物结构类型对复合材料抗弹性能的影响
    纤维的织物结构不同，其抗弹性能也不同。以环氧乙烯基树脂为基体制备不同织物结构的连续玄武岩纤维复合材料并进行抗弹性能测试，结果如表2所示。

    
    从表2中我们可以看到，无纬布和单向布结构的复合材料抗弹性能较好，而平纹布结构的复合材料抗弹性能较差。这主要是由于在无纬布和单向布织物结构的复合材料中，纤维之间的交错点较少，受到弹丸冲击作用时，能量可很快地沿纤维方向进行扩散，从而在较大的面积上得到吸收，提高了靶板的抗弹性能。而在平纹布结构的复合材料靶板中，纤维交错排列，在交错点处会反射弹丸作用的冲击波，使得对冲击能量的瞬时吸收面积减小，就降低了复合材料靶板的抗弹性能。
    虽然无纬布和单向布结构的复合材料抗弹效果基本相似，但无纬布制作工艺复杂、成本高、质量稳定性较差，因此连续玄武岩纤维抗弹复合材料一般采用单向布结构。
3.3 纤维表面处理对复合材料抗弹性能的影响
   纤维经过表面处理以后，可改善与基体材料的结合状况，从而影响复合材料的抗弹性能。纤维经过不同处理剂和处理工艺以后所制备的复合材料抗弹性能如表3所示。

    
    从试验结果中可以看到，经过不同处理剂不同工艺对纤维进行表面处理后，抗弹性能均有所提高，其中以KH550进行处理以后效果更优，而处理时间对其抗弹性能影响不明显。这主要是由于当复合材料靶板受到弹丸的冲击作用时，纤维在断裂以后会从基体材料中“拔脱”。表面处理使得纤维和基体之间产生更强的结合，纤维从基体中“拔脱”需要消耗更多的能量，从而提高了复合材料的抗弹性能。图3为靶板断口的SEM照片，可以看到未经处理时，断口处“拔脱”的玄武岩纤维上基本无环氧乙烯基树脂，而经过表面处理以后,断口处“拔脱”的玄武岩纤维上仍被环氧乙烯基树脂所包围，说明纤维与基体之间的结合力增强，使纤维“拔脱”要做更多的功。

   
4 结语
    对于连续玄武岩纤维增强的树脂基复合材料，基体树脂种类与含量、纤维织物结构以及纤维与基体的界面结合状况均会影响复合材料的抗弹性能。采用热固性树脂为基体比采用热塑性树脂为基体的抗弹性能更优。以无纬布或单向布为织物结构时，可以提高弹丸冲击能量的吸收面积，从而提高抗弹性能。纤维经过表面处理以后，改善了纤维与基体的界面，可使复合材料的抗弹性能得到进一步提高。
                   参考文献
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[2] W J Cantwell，J Morton. Comparison of the low and high velocity impact response of CFRP[J]．Composites，1989,20(6):545-551．
[3] G Zhu，W Goldsmith. Penetration of laminated Kevlar by projectiles experimental investigation[J]．Int. J. Solids Structure,1992,29(4):399-420.
[4] 王岚等．连续玄武岩纤维及其复合材料的研究[J]．玻璃钢/复合材料,2000,(6):22-24.
[5] 黄根来等．玄武岩纤维及其复合材料基本力学性能实验研究[J].玻璃钢/复合材料,2006,(1):24-27.
[6] 霍冀川等．玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展[J]．材料导报,2006,20(5):382-385．
[7] 刘国权等．高强玻璃纤维复合材料抗弹近似计算[J]．纤维复合材料,2001,18(1):11-12.
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[10] 梁子青等．UHMWPE纤维/LDPE复合材料防弹性能及机理研究[J].纤维复合材料,2002,19(4):6-9.