Kevlar纤维UD片材复合材料的防dan性能：优化设计与机制解析

文章基本信息

• 标题：Kevlar纤维UD片材复合材料的防dan性能

• 作者：闫卫星、郭艳文、徐行浩、黄晓梅、曹海建

• 期刊：《复合材料学报》2025年第42卷第1期

• 
  

研究背景与意义

随着国际局势紧张，防dan材料需求激增，轻量化、高防护性能成为核心需求。Kevlar纤维因其高强度、高模量、耐高温等特性，成为防dan领域的理想材料。然而，其表面光滑、与树脂基体结合性差的问题限制了应用。本文通过优化树脂配比、工艺参数及结构设计，探索该Kevlar纤维UD片材复合材料的防dan性能提升方案。

实验方法与关键材料

1. 材料

• Kevlar纤维（400D，单丝强度18cN/dtex）

• 基体树脂：水性聚氨酯（固含量30wt%）+ 水性丙烯酸树脂（固含量30wt%）

• 制备工艺：湿法缠绕技术 + 热压成型（热压机(Carver 4386，迈可诺科有限公司）

• 样品设计

• 通过调整树脂配比（如1:2、2:1等）、树脂含量（10wt%-32wt%）及热压参数（压力、温度、时间），制备不同复合靶板。

• 结构优化：测试4种叠层结构（如8UD/4UD/8UD）的防dan性能。

• 测试方法

• 参照GA 141—2010《jing-用防dan衣》标准，使用7.62×17子d（速度445±10m/s）进行弹道侵彻实验。

• 测量背凸深度（BFS）和贯穿层比例，分析破坏形貌与能量吸收机制。

核心研究结果

1. 树脂配比的影响

• 最佳配比：水性聚氨酯与水性丙烯酸树脂质量比 1:2 时防dan性能优良。

• 原因：
  

• 丙烯酸树脂占比过低：界面粘结差，纤维滑移，能量吸收不足。

• 丙烯酸树脂占比过高：基体力学性能下降，应力传递不均。

2. 树脂含量的影响

• 最佳含量：19wt% 时抗凹陷性能最佳（BFS最小为14mm）。

• 原因：
  

• 含量过低：纤维未被全部包裹，易脱粘。

• 含量过高：纤维被过度束缚，脆性断裂增加，能量吸收减少。

3. 热压工艺的影响

• 最佳参数：压力10MPa、温度130℃、时间20分钟。

• 原因：
  

• 过低：树脂流动性差，界面结合不良。

• 过高：树脂挤出纤维间隙，界面性能劣化。

4. 防dan机制分三阶段

1. 剪切破坏：子d初速高，纤维横向剪切失效（弹孔直径≈7mm）。

2. 拉伸断裂：子d变形后接触面积增大，纤维轴向拉伸断裂（弹孔直径≈11mm）。

3. 拉伸变形：应力波扩散，纤维拉伸变形吸收剩余能量（背凸面积达48.7cm²）。

5. 结构优化

• 最佳结构：8UD/4UD/8UD 叠层设计（前8UD抗冲击，中间4UD增强变形吸能，后8UD限制背凸）。

• 优势：平衡抗凹陷性能（BFS≈18mm）与损伤容限（贯穿层比例较低）。

结论与实用价值

1. 工艺优化：树脂配比1:2、含量19wt%、热压参数10MPa/130℃/20min为推荐组合。

2. 设计启示：通过多层叠合结构（如8UD/4UD/8UD）可显著提升防dan性能，兼顾柔性与防护。

3. 应用前景：为柔性防dan衣、轻量化装甲等提供理论支持，推动高性能复合材料在军事与民用防护领域的应用。

相关研究扩展

• 对比材料：UHMWPE纤维虽轻但抗蠕变差，Kevlar在抗凹陷和耐温性上更具优势。

• 未来方向：结合仿生设计（如四角星背凸结构）或引入纳米改性树脂，进一步提升界面性能。

参考文献：文中引用了30余篇国内外研究，涵盖防dan机制、树脂改性、结构优化等领域，如Yang等对UHMWPE的研究、周庆等对层间混杂装甲的分析等。