本發(fā)明涉及材料制備技術領域，具體而言，涉及一種抗變形材料及其制備方法和應用。

背景技術：

防彈衣的防彈性能主要體現(xiàn)在以下三個方面：(1)防手槍或步槍子彈。目前許多軟質防彈衣都可防住手槍子彈，但要防住步槍子彈或更高能量的子彈，則需采用高性能纖維復合材料制成的硬質防彈插板、陶瓷或鋼制的增強板。(2)防彈片：各種爆炸物如炸彈、地雷、炮彈和手榴彈等爆炸產(chǎn)生的高速破片是戰(zhàn)場上的主要威脅之一；(3)防非貫穿性損傷：子彈在擊中目標后會產(chǎn)生極大的沖擊力，這種沖擊力作用于人體所產(chǎn)生的傷害常常是致命的。這種傷害不呈現(xiàn)出貫穿性，但會造成內(nèi)傷，重者危及生命。所以防止非貫穿性損傷也是體現(xiàn)和檢驗防彈衣防彈性能的一個重要方面。

近年來，防彈材料越來越追求輕薄和柔軟，使用者穿著舒適度和活動靈活性越好，并且要求防彈復合材料進行彈道性能測試后，背襯膠泥的凹陷深度不能超過一定值，防止對使用者造成非貫穿性損傷。而兩者之間存在一定的矛盾，防彈材料越硬，當受到子彈沖擊后，背襯膠泥的凹陷越小，但是靈活性和柔軟度均差。因此現(xiàn)有防彈材料不能兼顧材料輕柔和凹陷深度小這兩方面性能。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種抗變形材料，以解決現(xiàn)有防彈材料不能兼顧材料輕柔和凹陷深度小這兩方面性能的問題，所述的抗變形材料為具有格柵結構的ud或者織物結構材料，可以將纖維的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，并且將熱固性樹脂用于制作ud結構或者織物結構，將熱固性樹脂的優(yōu)勢應用于抗變形材料中，提高其抗變形能力，由于織物結構或者ud結構本身柔軟輕薄，從而可以提高抗變形材料的舒適程度，不影響穿著者行動的靈活性。采用該材料制作的防彈制品，不僅具有很好的防彈性能，且能夠減小對人體的非貫穿性損傷。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的抗變形材料的制備方法，該方法先將一種或幾種高性能纖維按照格柵結構的排列方式鋪展成ud結構或者編織成織物結構的纖維布，然后采用特殊的加工工藝與熱固性樹脂復合制成，具有方便、簡單、易于操作等優(yōu)點，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)和廣泛應用。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：

一種抗變形材料，主要由ud結構或者織物結構的高性能纖維和熱固性樹脂復合得到具有格柵結構的抗變形材料。

優(yōu)選的，所述的抗變形材料，按照質量百分比計，所述高性能纖維為60％～90％，所述熱固性樹脂為10％～40％。

優(yōu)選的，所述的抗變形材料，按照質量百分比計，所述高性能纖維為70％～90％，所述熱固性樹脂為10％～30％。

優(yōu)選的，所述高性能纖維的強度大于17.6cn/dtex，彈性模量大于440cn/dtex。

優(yōu)選的，所述織物結構中，格柵結構的相鄰的兩條經(jīng)紗或者緯紗的距離小于5厘米，所述ud結構中，格柵結構的相鄰的兩條經(jīng)紗的距離小于5厘米。

優(yōu)選的，所述高性能纖維包括超高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、玻璃纖維、碳纖維中的一種或者幾種的組合；

優(yōu)選的，所述超高分子量聚乙烯纖維的斷裂強度≥28cn/dtex，模量≥800cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述超高分子量聚乙烯纖維的斷裂強度≥30cn/dtex，模量≥1000cn/dtex；

優(yōu)選的，所述芳族聚酰胺纖維斷裂強度≥16cn/dtex，模量≥500cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述芳族聚酰胺纖維斷裂強度≥20cn/dtex，模量≥700cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述玻璃纖維包括e級玻璃纖維、c級玻璃纖維、s級玻璃纖維和d級玻璃纖維中的一種或者幾種組合。

優(yōu)選的，所述熱固性樹脂包括乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅醚樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯和聚酰亞胺中的一種或者幾種的組合；

優(yōu)選的，所述環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值為0.1～1.0，優(yōu)選的環(huán)氧值為0.5～0.9，更優(yōu)選的環(huán)氧值為0.7～0.8。

所述的抗變形材料的制備方法，包括以下步驟：

將一種或幾種高性能纖維按照格柵結構的排列方式鋪展成ud結構或編織成織物結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法，將熱固性樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的ud結構或者織物結構的抗變形材料。

所述的抗變形材料在軟質防彈衣、防彈胸插板、防彈頭盔、防彈車等防護裝甲中的應用。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本申請所提供的抗變形材料為具有格柵結構的ud結構或者織物結構材料，可以將纖維的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，并且將熱固性樹脂用于制作ud結構或者織物結構，將熱固性樹脂的優(yōu)勢應用于抗變形材料中，提高其抗變形能力，由于織物結構或者ud結構本身柔軟輕薄，可以提高抗變形材料的柔軟程度。

(2)本申請所提供的抗變形材料，采用該材料制作的防彈制品，不僅可以具有很好的防彈性能，且能夠減小對人體的非貫穿性損傷，同時提高防彈制品的舒適程度。

(3)本申請所提供的抗變形材料的制備方法，先將一種或幾種高性能纖維按照格柵結構的排列方式鋪展成ud結構或者織造成織物結構的纖維布，然后采用特定的方法與熱固性樹脂復合制成，具有方便、簡單、易于操作等優(yōu)點，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)和廣泛應用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例1所提供的抗變形材料的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，但是本領域技術人員將會理解，下列所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

一種抗變形材料，主要由ud結構或者織物結構的高性能纖維和熱固性樹脂復合得到具有格柵結構的抗變形材料。

織物結構一般指織物的幾何結構，是經(jīng)紗和緯紗在織物中相互之間的空間關系。織物結構對織物的機械物理性能有很大的影響，而且會影響織物的外觀效應。

在本申請中，具有格柵結構的抗變形ud結構或者織物結構材料，由具有ud結構或者織物結構的高性能纖維和熱固性樹脂復合而成。高性能纖維是具有特殊的物理化學結構、性能和用途，或具有特殊功能的化學纖維，優(yōu)選的強度大于17.6cn/dtex，彈性模量在440cn/dtex以上的纖維。熱固性樹脂是指樹脂加熱后產(chǎn)生化學變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解的一種樹脂。熱固性樹脂在固化后，由于分子間交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結構，因此剛性大、硬度高、耐溫高、不易燃、制品尺寸穩(wěn)定性好。與高性能纖維復合形成復合材料后，其優(yōu)異的剛性，對子彈或者彈片等高速彈形成了很大的阻力，能夠較好的阻止高速彈對使用者造成非貫穿性損傷，使其背襯膠泥的凹陷深度較小。

子彈與復合材料作用過程中發(fā)生侵徹，表現(xiàn)出了多種不同的破壞模式，如纖維的拉伸斷裂、層合板的分層、纖維和樹脂的脫粘及材料產(chǎn)生的背凸等。彈體動能就是在這些破壞中被逐漸消耗，從而達到了防彈的效果。應力波是應力和應變擾動的傳播形式，在可變形固體介質中機械擾動表現(xiàn)為質點速度和相應的應力、應變狀態(tài)的變化。在彈道沖擊中，子彈與靶板接觸的瞬間產(chǎn)生的應力波以兩個方向傳播，一是以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播，受到?jīng)_擊的纖維通過基體樹脂及交錯點的相互作用，應力波在很多纖維上擴散開來；二是應力波的沿靶板縱向傳播，應力波在靶板的織物和基體界面及靶板自由面之間產(chǎn)生連續(xù)反射，使壓力變成拉應力。應力波在兩種不同的材料中傳播時，當傳至兩種材料的界面會產(chǎn)生入射波和反射波。

ud材料是將纖維平行排布，并用樹脂浸漬后，制成的纖維單向平行排列的預浸片。使用時，將兩層或兩層以上纖維單向平行排列的預浸片按照一定的纖維軸旋轉角度進行交叉鋪層，采用樹脂基體之間的粘合結合在一起，從而制成可以使用的材料片層。在ud材料中，纖維處于伸直狀態(tài)，沒有交織。二維織物層合材料是將纖維首先織造成二維織物，然后再將其疊合在一起。其中，層中的纖維是交織在一起的，但層間沒有交織。根據(jù)應力波傳播機理，材料的交織點多，受彈擊后，子彈的動能可通過交織點上紗線的相互作用得以傳遞，從而使子彈或彈片的沖擊力能在較大區(qū)域內(nèi)吸收。但與此同時，交織點又起了固定端的作用，在固定端所形成的的反射波與原來的入射波會產(chǎn)生同向疊加，使紗線受到的拉伸作用大大增強，在超過其斷裂強度后斷裂，從而對材料的防彈性能產(chǎn)生不利影響，且應力波在彎度小的纖維中傳播相對于彎度大的快，而應力波傳遞越快，單位時間內(nèi)傳遞能量越多，吸能效果越好，因此，要獲得最好的抗沖擊性能，需采用單向的、沒有交織點的ud結構材料。

優(yōu)選的，所述的抗變形材料，按照質量百分比計，所述高性能纖維為60％～90％，所述熱固性樹脂為10％～40％。

高性能纖維為主體結構，為抗變形材料提供柔軟的骨架，其性能及含量直接影響著沖擊侵徹過程中纖維的分布和受力狀態(tài)，從而影響到材料的破壞模式和防彈性能。熱固性樹脂基體在復合材料中交聯(lián)固化為三維網(wǎng)絡結構，剛度較高、脆性較大、抗沖擊和抗損傷的能力較差，基于上述原因，對復合材料中兩種材料的比例進行優(yōu)選，得到具有很好的防彈、且能夠減小對人體的非貫穿性損傷的抗形變材料，同時提高防彈制品的舒適度和柔軟度。

一方面樹脂質量含量不能太低，防止樹脂層過薄造成織物與樹脂的界面黏結力過低，從而在子彈的高速沖擊下易產(chǎn)生界面粘結破壞；另一方面，樹脂含量也不能過高，而且樹脂含量偏高，層間的樹脂層變厚，使纖維塑化，而樹脂層又是弱相，易發(fā)生脆性斷裂，彈擊時容易造成樹脂基體內(nèi)聚破壞，不能充分發(fā)揮纖維的作用。

優(yōu)選的，按照質量百分比計，所述高性能纖維為70％～90％，所述熱固性樹脂為10％～30％。

在上述范圍內(nèi)對高性能纖維和熱固性樹脂的比例進行優(yōu)選。

優(yōu)選的，所述高性能纖維的強度大于17.6cn/dtex，彈性模量大于440cn/dtex。

優(yōu)選的，所述織物結構中，格柵結構的相鄰的兩條經(jīng)紗或者緯紗的距離小于5厘米；所述ud結構中，格柵結構的相鄰的兩條經(jīng)紗的距離小于5厘米。

進行防彈性能測試時，要求每發(fā)彈之間的間距大于5厘米，因此，在設置格柵結構時，將格柵結構的距離設置為小于5厘米，保證每發(fā)彈射擊在不同的格柵結構中，使得格柵結構充分發(fā)揮防彈性能。

優(yōu)選的，所述高性能纖維包括超高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、玻璃纖維和碳纖維中的一種或者幾種的組合；

優(yōu)選的，所述超高分子量聚乙烯纖維的斷裂強度≥28cn/dtex，模量≥800cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述超高分子量聚乙烯纖維的斷裂強度≥30cn/dtex，模量≥1000cn/dtex；

優(yōu)選的，所述芳族聚酰胺纖維斷裂強度≥16cn/dtex，模量≥500cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述芳族聚酰胺纖維斷裂強度≥20cn/dtex，模量≥700cn/dtex；

更優(yōu)選的，所述玻璃纖維包括e級玻璃纖維、c級玻璃纖維、s級玻璃纖維和d級玻璃纖維中的一種或者幾種組合。

本申請中，超高分子量聚乙烯纖維的優(yōu)越性能是由于它的超分子結構決定的，其傳播應力波的速度相當于芳綸纖維的兩倍。但超高分子量聚乙烯纖維在高溫下使用強度低，其惰性的分子鏈就很難與通用的樹脂基體粘接形成性能優(yōu)良的復合材料。芳綸纖維的化學鍵主要由芳環(huán)構成，這種芳環(huán)剛性高，使聚合物鏈呈伸展狀態(tài)，形成棒狀結構，因而纖維具有高模量，并且具有極強的韌性。但是芳綸纖維是一種沿軸向排列的有規(guī)則的褶疊層結構，所以其橫向強度低、壓縮和剪切性能差且易劈裂。玻璃纖維由于韌性較低，在防彈復合材料中一般用于層合板的夾層，碳纖維則因為其較低的壓縮強度限制了它在彈道性能方面的應用。因此，本申請格柵結構可以采用與ud或者織物結構不同的材料，以改善材料的缺陷，達到更好的防彈及抗變形效果。

超高分子量聚乙烯纖維(英文全稱：ultrahighmolecularweightpolyethylenefiber，簡稱uhmwpe)，又稱高強高模聚乙烯纖維，是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，其分子量在100萬～500萬的聚乙烯所紡出的纖維。

優(yōu)選的，所述熱固性樹脂包括有乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅醚樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯和聚酰亞胺中的一種或者幾種的組合。

聚氨酯中由于含有柔性分子鏈，故具有極好的抗彎、抗沖擊性能，此外它還具有較強的剝離強度和化學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐低溫性能，使用高性能纖維增強無定形聚氨酯防彈復合材料可以防止由于受到彈擊而產(chǎn)生大量的破損對使用者形成的傷害。乙烯基酯樹脂由于對纖維具有較好的粘結性，因此乙烯基酯復合材料的吸能性高于聚氨酯基復合材料。環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等熱固性樹脂所具有高硬度使得它應用于防彈復合材料領域時，受到彈丸沖擊產(chǎn)生較小的變形。

更優(yōu)選的，所述環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值為0.1～1.0，優(yōu)選的環(huán)氧值為0.5～0.9，更優(yōu)選的環(huán)氧值為0.7～0.8。

環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值，環(huán)氧值是100g環(huán)氧樹脂中所含環(huán)氧基團的物質的量。環(huán)氧值越大，粘度越小，與高性能纖維的浸潤度越好，復合的效果越好，提高抗變形材料的抗沖擊能力。

所述的抗變形材料的制備方法，包括以下步驟：將一種或幾種高性能纖維按照格柵結構的排列方式鋪展成ud結構或織造成織物結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法，將熱固性樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的抗變形ud結構或者織物結構材料。

所述的抗變形材料在軟質防彈衣、防彈胸插板、防彈頭盔、防彈車等防護裝甲中的應用。

實施例1

將碳纖維作為格柵結構材料，與芳族聚酰胺纖維制備為ud結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法將環(huán)氧樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的芳族聚酰胺-碳纖維-環(huán)氧樹脂抗變形ud材料。

實施例2

將碳纖維作為格柵結構材料，與芳族聚酰胺纖維制備為織物結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法將環(huán)氧樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的芳族聚酰胺-碳纖維-環(huán)氧樹脂抗變形織物材料。

實施例3

將碳纖維作為格柵結構材料，與超高分子量聚乙烯纖維制備為ud結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法將環(huán)氧樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的超高分子量聚乙烯-碳纖維-環(huán)氧樹脂抗變形ud材料。

實施例4

將碳纖維作為格柵結構材料，與超高分子量聚乙烯纖維制備為織物結構的纖維布，然后通過溶液浸漬法將環(huán)氧樹脂與纖維布復合，得到具有格柵結構的超高分子量聚乙烯-碳纖維-環(huán)氧樹脂抗變形ud材料

對比例1實施例1所提供的芳族聚酰胺纖維作為格柵結構材料制備為ud結構的纖維布。

對比例2實施例2所提供的芳族聚酰胺纖維作為格柵結構材料制備為織物結構的纖維布。

對比例3實施例3所提供的超高分子量聚乙烯纖維作為格柵結構材料制備為ud結構的纖維布。

對比例4實施例4所提供的超高分子量聚乙烯纖維作為格柵結構材料維制備為織物結構的纖維布。

實驗例1防彈性能影響

對實施例1-4進行防彈性能測試，測試其平均凹陷的深度。實驗結果如表1所示。

表1防彈性性能測試結果

實驗結果表明，本申請?zhí)峁┑目棺冃尾牧?，進行彈擊實驗測試后，背襯膠泥平均凹陷較小，產(chǎn)生的非貫穿性損傷小，可以起到很好的防彈效果。

盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應意識到，以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；本領域的普通技術人員應當理解：在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍；因此，這意味著在所附權利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些替換和修改。