一組研究人員最近在《Materials Today: Proceedings》上發(fā)表了一篇論文，研究了不同碳納米管（CNT）納米填充物濃度對環(huán)氧樹脂/凱夫拉爾復(fù)合材料的影響和機械性能，特別是彈道性能。

研究：納米粉末侵入凱夫拉爾聚合物復(fù)合材料靶材的彈道性能

現(xiàn)有樹脂/纖維復(fù)合材料的局限性

“終端彈道學(xué)”通常是國防領(lǐng)域多個應(yīng)用中重要和關(guān)注的領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，防彈衣在使用范圍和支出方面已經(jīng)獲得了突出的地位。目前，研究的重點是在現(xiàn)代防彈衣中具有顯著應(yīng)用潛力的復(fù)合材料，因為它們具有柔性纖維增強相，剛性基質(zhì)相以及改善這些相之間相互作用的填料。

Kevlar是一種輕質(zhì)纖維，由于其令人印象深刻的性能，由于其分子排列和生產(chǎn)方法，通常優(yōu)選用于國防和航空航天工業(yè)中的高拉伸和高韌性應(yīng)用。凱夫拉纖維氈通常用于軟裝甲面板（SAP）以及硬裝甲面板（HAP）。

環(huán)氧樹脂由于其優(yōu)異的熱性能，出色的耐化學(xué)性和高粘合性，被認(rèn)為是現(xiàn)代防彈衣的合適聚合物基質(zhì)。然而，樹脂基體的脆性限制了其在高韌性應(yīng)用中的應(yīng)用。因此，必須提高增強纖維和基體的性能，以提高復(fù)合纖維的整體有效性。

納米填充物對改善環(huán)氧樹脂/凱夫拉爾復(fù)合材料性能的重要性

納米填充物可以通過表面粘合來增強纖維和基質(zhì)的相互作用性能。此外，這些物質(zhì)可以作為對脆性壓裂的抵抗力。多壁碳納米管（MWCNTs）由于其優(yōu)異的電學(xué)，熱學(xué)和機械性能，更適合于各種合成和天然納米填充物。此外，碳納米管的高縱橫比使其適用于改善整體復(fù)合材料性能。

在環(huán)氧樹脂中加入較低的碳納米管可以顯著提高基體的斷裂韌性、拉伸模量和拉伸強度。然而，基質(zhì)中CNT的較高添加量會導(dǎo)致由于范德瓦爾斯吸引力高而結(jié)塊。因此，較高的CNT添加導(dǎo)致整體基質(zhì)性質(zhì)的改善很小。

因此，必須評估不同碳納米管濃度對沖擊和機械性能的影響，以開發(fā)有效的環(huán)氧樹脂/凱夫拉爾復(fù)合材料。

不同納米填充劑濃度環(huán)氧樹脂/凱夫拉復(fù)合材料的合成與評價

在這項研究中，研究人員合成了三種環(huán)氧樹脂/纖維復(fù)合材料，一種沒有CNT納米填充物，兩種沒有納米填充物，并從拉伸強度，層間剪切應(yīng)力（ILSS）和彈道性能方面評估了合成的樣品。使用氣槍裝置來確定合成復(fù)合材料的彈道行為。

在彈道性能評估期間，使用直徑為10毫米，重量為7.85克的硬化錐形射彈對復(fù)合材料產(chǎn)生低速彈道沖擊。研究人員還對制造的樣品進行了分形學(xué)研究。

以尺寸在10~20納米、長度超過10微米的MWCNTs、簡單的250克/平方米平紋凱夫拉氈、雙酚A型環(huán)氧樹脂、Aradur硬化劑和乙醇作為研究的起始原料。在將接收到的納米填料用于復(fù)合制備之前，對它們進行了處理，因為在這些CNT中觀察到高度的團聚，這可能會對最終的復(fù)合性能產(chǎn)生不利影響。

將特定量的CNT與乙醇混合，并將混合物探針用水浴超聲處理一個多小時，以在納米填充物中實現(xiàn)解聚。隨后，將混合物置于熱板磁力攪拌器中，并將樹脂逐漸加入到混合物中。在蒸發(fā)乙醇的過程中溫度升高并降低所得混合物的粘度。通過將殘留的乙醇放入熱風(fēng)烘箱中，從混合物中除去，以獲得最終的CNT/環(huán)氧樹脂混合物。

采用手工鋪層法合成復(fù)合材料。最初，Kevlar墊子被切割并用乙醇和蒸餾水按順序清洗，并在烤箱中干燥。隨后，將墊子放置在300×300毫米模具中的堆疊結(jié)構(gòu)中，并在層板上分配環(huán)氧樹脂或CNT /環(huán)氧樹脂混合物和硬化劑的混合物。將模具封閉并固化24小時，得到環(huán)氧樹脂/纖維復(fù)合材料。

在沒有納米填充物的情況下合成了三種復(fù)合材料。未填充的復(fù)合材料作為參考，而另外兩種含有0.5重量百分比和1重量百分比的CNT納米填充物的復(fù)合材料分別被指定為KC0.5和KC1。

研究的意義

成功合成了帶和不帶納米填充劑的環(huán)氧纖維復(fù)合材料。與沒有納米填充物的復(fù)合材料相比，帶有納米填充物的復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的沖擊力和機械性能。與參考樣品和KC1樣品相比，KC0.5樣品的ILSS和抗拉強度明顯更高。KC0.5樣品還顯示出在彈丸撞擊時對能量的吸收要大得多。此外，與其他復(fù)合材料相比，KC0.5樣品的平均退出速度最低。

分形學(xué)研究表明，KC1樣品的背面變形最小，而KC0.5樣品的正面損傷較低，因為CNT納米填充物有助于形成堅固的環(huán)氧層，該層屏蔽了彈丸對復(fù)合材料的影響以及纖維與基質(zhì)之間的界面鍵合的改善。

綜上所述，本研究結(jié)果表明，碳納米管含量較低的環(huán)氧樹脂/纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的沖擊性能，包括彈道性能，可以有效降低小射彈的低速沖擊。因此，這些復(fù)合材料可用于國防應(yīng)用，如現(xiàn)代防彈衣。

文章來源：AZONANO、石墨烯網(wǎng)

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