一种仿生叠层结构的防弹背板及其制备方法
阅读说明：本技术 一种仿生叠层结构的防弹背板及其制备方法 (Bulletproof back plate with bionic laminated structure and preparation method thereof ) 是由 郭峰 李忠盛 吴护林 黄安畏 丛大龙 程时雨 孙彩云 吴永鹏 聂嘉兴 贺斌 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：一种仿生叠层结构的防弹背板,由碳纤维层和聚乙烯纤维层组成,具体是在单层碳纤维层下叠加n层聚乙烯纤维层形成模块,n为10～30,相邻两层聚乙烯纤维层之间的纤维丝方向呈x°分布,x≠0,将多个所述模块再进行叠加复合,相邻模块中的碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布,叠加的模块数不少于3个。本发明制备的仿生底层结构的防弹背板面具有高防护性能,抗弯强度>90MPa,邵氏硬度值为>80ShoreD、冲击韧性>20kN,力学性能优异,面密度为3.25kg/m～(2)时,其V50达到604m/s,具有优异的防弹性能,同时具有较高的轻量化水平,在单兵防护和防护小口径装甲等领域具有极大优势。(The utility model provides a bionical stromatolite structure's shellproof backplate comprises carbon fiber layer and polyethylene fiber layer, specifically is that superpose n layer polyethylene fiber layer under individual layer carbon fiber layer and form the module, and n is 10~30, and the cellosilk direction between the adjacent two-layer polyethylene fiber layer is x and distributes, and x ≠ 0, will be a plurality of the module superposes compound again, and the cellosilk direction on the carbon fiber layer in the adjacent module is 90 and distributes, and 3 are no less than to superimposed module number. The bulletproof back plate surface of the bionic bottom layer structure prepared by the invention has high protection performance and bending strength>90MPa and Shore hardness value of>80Shore D, impact toughness>20kN, excellent mechanical property and 3.25kg/m of areal density 2 And in the process, the V50 reaches 604m/s, the bulletproof material has excellent bulletproof performance and higher lightweight level, and has great advantages in the fields of individual protection, small-caliber armor protection and the like.)
技术领域
本发明涉及防弹材料技术领域，具体涉及仿生叠层结构的防弹背板及其制备方法。
背景技术
某些海洋生物具有强韧的生物防御外壳，这种生物结构多由胶原蛋白纳米纤维和无机盐晶体组成，如虾蟹壳，鱼鳞等，其特征是外层为定向排列的高度结晶晶体的坚硬抗冲击层，冲击层下为螺旋纳米胶原蛋白纤维无纬结构，这种结构称为布林根结构。布林根结构的能量吸收原理可以解释为：结晶体外壳将冲击的能量均匀化，而软质的纤维结构将动能继续消耗成纤维的相互运动和层与层摩擦的相互运动；最重要的是，螺旋纤维的具有力学各向异性，更容易消耗冲击的动能。
现有的防弹结构采用陶瓷\PE板、陶瓷\芳纶板或陶瓷\金属等，其中陶瓷\PE板、陶瓷\芳纶板结构主要用于中、小口径枪弹的防护，国产PE、芳纶的性能并不能满足现有的防护需求。在材料性能难以突破的情况下，用性能有限的材料设计具有更高防护能力新型叠层防弹结构设计是解决这一问题的有效途径。专利CN 108372692 A公开了一种多元复合增韧型的仿生结构装甲及其制备方法，其研究了海龟壳的结构，并对其进行仿生制造，但该结构采用高纯度钛、铝和钛合金等，势必增加装甲的重量，并不能满足装备对轻量化的需求；另外其制造工艺较为复杂，势必增加制造成本，影响其实际使用；最后，该结构的防护性能并没有得到验证。专利CN111678382 A公开了一种轻量化抗冲击的仿生防弹插板，该仿生防弹插板虽然以啄木鸟的头部结构为仿生原型,但啄木鸟啄木过程相当于以坚硬的头骨撞击相对较软的树木,而防弹插板是要防住相对坚硬的子弹,这种本质原理的区别并不适用于防弹领域的仿生，其次，超高分子量聚乙烯纤维是通过其超高的断裂延伸率来阻挡弹丸的冲击，如果在纤维板上开孔，这会极大削弱纤维板本身的防弹性能，在实际应用中存在很大的局限。因此，现目前制备仿生叠层防弹结构，面临的难题是结构的防弹性能较差，轻量化水平较低，限制了其应用范围，即无法同时保证结构的防弹性能和轻量化水平。
发明内容
鉴于上述问题，本发明目的在于提供一种仿生叠层结构的防弹背板，解决了现有国产材料本身防护性能不足的问题，保证优异防弹性能的同时，具有较高的轻量化水平。
本发明另一目的是提供上述仿生叠层结构的防弹背板的制备方法。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种仿生叠层结构的防弹背板，其特征在于：所述背板由碳纤维层和聚乙烯纤维层组成，具体是在单层碳纤维层下叠加n层聚乙烯纤维层形成模块，n为10～30，相邻两层聚乙烯纤维层之间的纤维丝方向呈x°分布，x≠0，将多个所述模块再进行叠加复合，相邻模块中的碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布，叠加的模块数不少于3个。
进一步，所述叠加的模块中碳纤维依次为T600、T700和T800碳纤维中的至少一种。
优选的，相邻的模块中选用T600、T700和T800碳纤维中任意两种。
T600、T700和T800是强度依次上升的碳纤维材料。
优选的，所述防弹背板中的碳纤维从上到下的模块中依次为T800碳纤维、T700碳纤维和T600碳纤维进行循环，从上到下的模块中超高分子量聚乙烯纤维层的层数依次递增。
进一步，所述碳纤维层是碳纤维通过酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯进行预浸处理制得，所述聚乙烯纤维层是聚乙烯纤维通过酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯进行预浸处理制得。
上述仿生叠层结构的防弹背板的制备方法，其特征在于：采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯组成的混合树脂1对碳纤维进行浸渍，形成碳纤维层，采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯组成的混合树脂2对高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，形成聚乙烯纤维层，将1层碳纤维层和n层聚乙烯纤维层组成模块，将3个以上的模块进行叠加形成复合铺层结构，然后进行温压复合，具体是在90℃下保温5～15min，然后升温至110℃保温30～60min，然后自然冷却，压力稳定在11～15MPa，并持续至冷却结束。
本领域均知，在其他条件不变时，防弹材料的面密度越大，防弹性能越好，但是面密度的增大，会导致材料轻量化水平降低。本发明中采用碳纤维作为硬质材料，超高分子量聚乙烯纤维作为软质材料，通过特定的叠层模块的组合，结合特定的复合工艺，通过层与层之间的相对运动，模块与模块之间的冲击力的阶梯式传递，实现了冲击力的阶梯型的均匀分散，即使较低面密度也能具有优异的防弹性能。
进一步，上述温压复合是以1～2℃/min的升温速率升温至90℃，保温5～15min，然后再以0.5～1℃/min的速率升温至110℃保温30～60min，然后自然冷却，当升温50～60min时，压力开始以0.1～0.5MPa/min的速率升至11～15MPa，并持续至冷却结束。
优选的，上述温压复合是以1.5℃/min的升温速率升温至90℃，保温10min，然后再以1℃/min的速率升温至110℃保温40min，然后自然冷却，当升温50～60min时，压力开始以0.4MPa/min的速率升至12MPa，并持续至冷却结束。
进一步，上述混合树脂1中，酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照0.5～1:5～6:1.5～2的质量比混合，并用丙酮稀释至80％～90％的质量百分浓度范围。
进一步，上述混合树脂2中，酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1～2:1～2:6～8的质量比混合，并用丙酮稀释至85％～95％的质量百分浓度范围。
上述仿生叠层结构的防弹背板的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：S1、碳纤维层的制备：
S1.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照0.5～1:5～6:1.5～2的质量比混合，加入丙酮在100～150rpm下搅拌10～15min，稀释成80％～90％的质量百分浓度范围的混合树脂1待用；
S1.2采用S1.1制备的混合树脂1对碳纤维进行浸渍，浸渍温度为95～100℃，浸渍时5～10min，浸渍后在45～50℃下干燥4～6min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为5～10％；
S2、聚乙烯纤维层的制备
S2.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1～2:1～2:6～8的质量比混合，加入丙酮在100～150rpm下搅拌10～15min，稀释成85％～95％的质量百分浓度范围的混合树脂2待用；
S2.2采用步骤S2.1制备混合树脂2对超高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，温度为80～85℃，浸渍5～10min，浸渍后在45～50℃下干燥4～6min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为2～5％；
S3、仿生叠层复合结构的制备
S3.1根据实际需求，复合铺层结构为由上至下依次为由1层碳纤维层和n1层超高分子量聚乙烯纤维层形成的模块1，再叠加1层碳纤维层和n2层超高分子量聚乙烯纤维层形成的模块2，继续叠加由1层碳纤维层和n3层超高分子量聚乙烯纤维层形成的模块3，一直持续叠加至由1层碳纤维层和nm模块m，其中n1、n2、n3取10～30之间，m≥3，且为正整数；
S3.2将铺好的复合铺层结构进行温压复合，复合过程中以1～2℃/min的速率升温至90℃，保温5～15min，然后再以0.5～1℃/min的速率升温至110℃保温30～60min，然后自然冷却，当升温50～60min时，压力以0.1～0.50MPa/min速率升至11～15MPa，并持续至冷却结束。
本发明具有如下技术效果：
本发明制备的仿生底层结构的防弹背板面具有高防护性能，抗弯强度>90MPa，邵氏硬度值为>80ShoreD、冲击韧性>20kN，力学性能优异，面密度为3.25kg/m2时，其V50达到604m/s，具有优异的防弹性能，弥补了国产防弹材料自身性能不足的短板，同时具有较高的轻量化水平，在单兵防护和防护小口径装甲等领域具有极大优势。
附图说明
图1：本发明制备的仿生叠层防弹背板结构示意图。
图2：相邻模块中碳纤维层的铺层示意图。
图3：聚乙烯纤维层的铺层示意图。
图4：本发明实施例1复合过程的温压曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种仿生叠层结构的防弹背板的制备方法，按如下步骤进行：
S1、碳纤维预浸料的制备：
S1.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1:5:2质量比混合，加入丙酮，在120rpm下搅拌12min，稀释至88％的质量百分浓度的混合树脂1待用；
S1.2采用S1.1制备的混合树脂1对碳纤维进行浸渍，浸渍温度为98℃，浸渍时6min，浸渍后在48℃下干燥5min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为5％；
S2、聚乙烯纤维预浸料的制备
S2.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1:1:8质量比混合，加入丙酮在120rpm下搅拌12min，稀释至92％的质量百分浓度的混合树脂2待用；
S2.2采用步骤S2.1制备混合树脂2对超高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，温度为82℃，浸渍6min，浸渍后在48℃下干燥5min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为2％；
S3、仿生叠层复合结构的制备
S3.1复合铺层结构为由上至下依次为1层T800碳纤维预浸料布和10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布成模块1，1层T700碳纤维预浸料布和11层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块2，1层T600碳纤维预浸料布和15层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块3，相邻的模块中碳纤维预浸料布的纤维丝方向呈90°分布，相邻层的超高分子量聚乙烯的纤维丝方向不为0°；
S3.2将铺好的复合铺层结构进行温压复合，复合过程中以1.5℃/min的升温速率升温至90℃，保温10min，然后再以1℃/min的速率升温至110℃保温40min，然后自然冷却，当升温55min时，压力以0.4MPa/min的速率升至12MPa，并持续至冷却结束，具体按照图4所示的复合温压曲线进行。
冷却结束后，取出压制好的仿生叠层结构的防弹背板，对其进行防弹性能测试，本实施例制备的仿生叠层结构背板抗弯强度>90MPa，邵氏硬度值为>80ShoreD、冲击韧性>20kN。其中V50值是根据GB/T 32497-2016规定进行测试。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例仿生叠层复合结构制备过程中，设置的铺层顺序从上到下依次为：1层T800碳纤维预浸料布+12层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T700碳纤维预浸料布+12层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T600碳纤维预浸料布+12层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布；铺层过程中保证每相邻碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布，每相邻层的超高分子量聚乙烯纤维丝的方向呈随机的x°分布(x≠0)。其余制备过程与实施例1相同。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例仿生叠层复合结构制备过程中，设置的铺层顺序从上到下依次为：1层T800碳纤维预浸料布+10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T800碳纤维预浸料布+11层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T800碳纤维预浸料布+15层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布；铺层过程中保证每相邻碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布，每相邻层的超高分子量聚乙烯纤维丝的方向呈随机的x°分布(x≠0)。其余制备过程与实施例1相同。
实施例4
与实施例1不同的是，本实施例仿生叠层复合结构制备过程中，设置的铺层顺序从上到下依次为：1层T800碳纤维预浸料布+10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T700碳纤维预浸料布+20层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T600碳纤维预浸料布+30层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布；铺层过程中保证每相邻碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布，每相邻层的超高分子量聚乙烯纤维丝的方向呈随机的x°分布(x≠0)。其余制备过程与实施例1相同。
实施例5
与实施例1不同的是T600、T700、T800碳纤维预浸料制备时酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯的混合比例为：1:6:1。其余制备过程与实施例1相同。
实施例6
与实施例1不同的是高分子量聚乙烯纤维预浸料制备时酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯的混合比例为：1:2:7。其余制备过程与实施例1相同。
经过性能测试，测试数据如表1所示。
测试项目
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
实施例6
厚度
3.14mm
3.11mm
3.41mm
3.75mm
3.20mm
3.17mm
面密度
3.25kg/m<sup>2</sup>
3.19kg/m<sup>2</sup>
3.34kg/m<sup>2</sup>
3.96kg/m<sup>2</sup>
3.21kg/m<sup>2</sup>
3.18kg/m<sup>2</sup>
V50
604m/s
599m/s
568m/s
651m/s
575m/s
593m/s
从上述数据可以看出，实施例1、实施例2和实施例4采用不同强度的碳纤维搭配不同层数的超高分子量聚乙烯纤维，形成结构中的梯度变化，对于子弹冲击能量成缓冲式均匀分散，有效提高其防弹性能，同时可以保证具有优异的轻量化水平，实施例3由于相邻的碳纤维使用的是相同强度规格的，对于冲击能量的缓冲分散效果稍差，虽然面密度增大了，但是其V50并没有升高，反而降低了。从实施例5和6可以看出，由于浸渍混合树脂的比例变化，导致最终浸渍后的纤维层厚度有微弱的变化，面密度降低了，但是对于V50能有略微的降低。
实施例7
与实施例1不同的是，本实施例仿生叠层复合结构制备过程中，设置的铺层顺序从上到下依次为：1层T800碳纤维预浸料布+10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T700碳纤维预浸料布+11层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T600碳纤维预浸料布+12层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T800碳纤维预浸料布+13层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T700碳纤维预浸料布+14层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T600碳纤维预浸料布+15层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T800碳纤维预浸料布+16层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布+1层T700碳纤维预浸料布+17层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布，铺层过程中保证每相邻碳纤维层的纤维丝方向呈90°分布，每相邻层的超高分子量聚乙烯纤维丝的方向呈随机的x°分布(x≠0)。其余制备过程与实施例1相同。
本实施例制备的仿生叠层结构背板抗弯强度>90MPa，邵氏硬度值为>80ShoreD、冲击韧性>20kN。
对比例1
与实施例7不同的是，将碳纤维材料替换成芳纶，其余步骤不变。
对比例2
与实施例7不同的是，材料复合过程直接升温至110℃，保温60min，同时在升温过程中直接施加12MPa的压力，压力持续至复合结束。
将实施例7、对比例1和对比例2制备的仿生叠层结构防弹背板进行V50性能测试，并分别与9.5mm厚的碳化硼陶瓷复合，进行53式7.62mm弹击实验，试验结果如表2所示。
表2：
根据不同的实际应用情况，可以通过1层碳纤维预浸料布+n层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布模块的叠加来增加其防弹性能。
从实施例7和对比例1、对比例2的测试结果可知，本发明中采用硬质碳纤维与软质超高分子量聚乙烯纤维进行特定的叠层，并在特殊的温度和压力结合的复合工艺下，制备的仿生叠层结构的防弹背板具有优异的防弹性能的同时，保证了优异的轻量化水平，而采用其他硬质材料替换碳纤维，结合本发明中的工艺，依然不能得到具有优异防弹性能的防弹材料，且轻量化水平较低。
实施例8
一种仿生叠层结构的防弹背板的制备方法，按如下步骤进行：
S1、碳纤维预浸料的制备：
S1.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1:5:1.5质量比混合，加入丙酮，在100rpm下搅拌10min，稀释至80％的质量百分浓度的混合树脂1待用；
S1.2采用S1.1制备的混合树脂1对碳纤维进行浸渍，浸渍温度为95℃，浸渍时10min，浸渍后在45℃下干燥6min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为10％；
S2、聚乙烯纤维预浸料的制备
S2.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1:1:7质量比混合，加入丙酮在100rpm下搅拌15min，稀释至85％的质量百分浓度的混合树脂2待用；
S2.2采用步骤S2.1制备混合树脂2对超高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，温度为80℃，浸渍10min，浸渍后在45℃下干燥6min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为5％；
S3、仿生叠层复合结构的制备
S3.1复合铺层结构为由上至下依次为1层T800碳纤维预浸料布和10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布成模块1，1层T700碳纤维预浸料布和11层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块2，1层T600碳纤维预浸料布和15层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块3，相邻的模块中碳纤维预浸料布的纤维丝方向呈90°分布，相邻层的超高分子量聚乙烯的纤维丝方向不为0°；
S3.2将铺好的复合铺层结构进行温压复合，复合过程中以1℃/min的升温速率升温至90℃，保温10min，然后再以0.5℃/min的速率升温至110℃保温40min，然后自然冷却，当升温55min时，压力以0.1MPa/min的速率升至11MPa，并持续至冷却结束。
实施例9
一种仿生叠层结构的防弹背板的制备方法，按如下步骤进行：
S1、碳纤维预浸料的制备：
S1.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照0.5:6:5质量比混合，加入丙酮，在150rpm下搅拌15min，稀释至80％的质量百分浓度的混合树脂1待用；
S1.2采用S1.1制备的混合树脂1对碳纤维进行浸渍，浸渍温度为100℃，浸渍时5min，浸渍后在50℃下干燥4min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为6％；
S2、聚乙烯纤维预浸料的制备
S2.1采用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯按照1:1:3质量比混合，加入丙酮在150rpm下搅拌10min，稀释至95％的质量百分浓度的混合树脂2待用；
S2.2采用步骤S2.1制备混合树脂2对超高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，温度为85℃，浸渍5min，浸渍后在45℃下干燥6min，采用挤压辊控制树脂含量的质量占比为3％；
S3、仿生叠层复合结构的制备
S3.1复合铺层结构为由上至下依次为1层T800碳纤维预浸料布和10层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布成模块1，1层T700碳纤维预浸料布和11层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块2，1层T600碳纤维预浸料布和15层超高分子量聚乙烯纤维预浸料布形成模块3，相邻的模块中碳纤维预浸料布的纤维丝方向呈90°分布，相邻层的超高分子量聚乙烯的纤维丝方向不为0°；
S3.2将铺好的复合铺层结构进行温压复合，复合过程中以2℃/min的升温速率升温至90℃，保温10min，然后再以0.5℃/min的速率升温至110℃保温40min，然后自然冷却，当升温60min时，压力以0.5MPa/min的速率升至15MPa，并持续至冷却结束。