本發(fā)明涉及一種三維織物增強輕質復合材料，尤其涉及一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料及其制備方法。
背景技術：
隨現代科學技術的飛速發(fā)展，攻擊武器系統取得了長足的發(fā)展，迫使坦克車輛的金屬防護層越來越厚，其戰(zhàn)斗全重越來越大，嚴重影響作戰(zhàn)的機動性能和快速反應能力。傳統的金屬材料越來越難以滿足新型坦克車輛的綜合戰(zhàn)技指標要求。減輕裝甲車輛自身重量、提高坦克車輛防護性能、增強戰(zhàn)場突防能力，迫切需要應用輕質高強、具有良好抗彈性能和優(yōu)良耐疲勞性能的輕質材料替代傳統的金屬材料。輕質防彈材料不僅要重量輕，同時還須滿足抗彈、隱身、減震降噪、三防、阻燃等性能要求?，F代偵察技術、攻擊性武器制導技術、核輻射等的發(fā)展對裝甲車體防護提出了更高的要求。單獨使用傳統的金屬材料已不能滿足各方面的需求。隨著世界高新技術、纖維合成與紡絲工藝的發(fā)展，高性能纖維得到了不斷的發(fā)展創(chuàng)新，目前已經進入到了一個高速發(fā)展的階段。纖維材料在防彈領域的應用嶄露頭角發(fā)揮了越來越重要的作用。尤其是uhmwpe纖維、芳香族聚酰胺纖維等高性能纖維在防彈裝備方面的應用得到了各國軍事力量的重視。高性能纖維具有較高的強度、較高的模量和適當的斷裂伸長率，且纖維的密度低于金屬材料。因此，高性能纖維材料制成的防彈材料質輕、柔韌性好、防護效果佳。近年來，各國采用高性能纖維材料開發(fā)出了各種軟式、軟硬復合式防彈衣和防彈頭盔。纖維增強復合材料具有比強度高、比模量高、性能可設計性強、電性能好及耐疲勞性好等特點，將其與傳統的防彈材料-諸如陶瓷、鋼板等一一進行復合得到結構/功能一體化的輕質裝甲材料,可降低裝甲車輛戰(zhàn)斗全重達30%以上,實現機動性和防護能力的統一,提高車輛的生存能力。
目前，應用于防彈領域的高性能纖維主要有碳纖維、芳綸、芳香族雜環(huán)類纖維、uhmwpe纖維、玻璃纖維，進入21世紀以來，隨著科學技術的發(fā)展，高性能纖維及其增強的復合材料被廣泛應用于船舶、汽車、航空航天、國防兵器等各個領域，而且纖維增強樹脂基復合材料在國民生產中所占的比重越來越大。目前，用于增強樹脂基復合材料的纖維主要有碳纖維、芳綸及超高分子量聚乙烯纖維，是近年來不斷發(fā)展起來的公認的高性能纖維，具有高強、高模、抗沖擊、耐腐蝕等優(yōu)良性能。
高性能纖維復合材料的輕量和柔韌，使得這些材料成了現代個體防彈領域的主導性材料。在防護鉛芯的手槍彈或沖鋒槍彈的軟體防彈復合材料中，主要的高性能纖維包括芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、pbo纖維、炭纖維和玻璃纖維等，主要的織物形式有機織布、單向無緯布(ud布)、雙軸向經(緯)編織物等。與其他織物相比，無緯布的生產方式避免了編織過程中對纖維的損傷．纖維的強度、模量等力學性能指標未受影響．而且在彈擊后應力波和能量由彈擊點向外傳播速度更快。相比于碳纖維與芳綸，超高分子量聚乙烯纖維不僅具有極高的強度，且其原料易得，加工相對容易，故在防彈領域，超高分子量聚乙烯纖維的發(fā)展也較為迅速。目前已商品化的幾種uhmwpe纖維，相對密度為0.97g/cm3，是所有高性能纖維中密度最小的，是鋁的l/3和鋼的1/8，是芳綸的2/3，碳纖維的1/2；uhmwpe纖維復合材料要比芳綸復合材料輕20％，比碳纖維復合材料輕30％。傳統的超高分子量聚乙烯纖維防彈復合材料多以ud布的形式成纖，其為多層高強度纖維按照垂直的方式疊加并通過熱壓而成的片材。ud布是一種二維織物，由2個相互垂直排列的紗線系統按照一定的規(guī)律交織而成。
已公告的中國專利cn204612596u本實用新型公開了一種防彈胸插板。所述防彈胸插板由陶瓷迎彈面和超高分子量聚乙烯背襯板組成。超高分子量聚乙烯防彈背襯板由多層超高分子量聚乙烯帶式片材熱壓成型，或者超高分子量聚乙烯帶式片材與超高分子量聚乙烯無緯布熱壓成型。胸插板，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯帶式片材是由1-6層單條超高分子量聚乙烯帶片層構成，并且相鄰層的超高分子量聚乙烯帶片層交錯排布；其中所述的超高分子量聚乙烯帶片層是由兩層超高分子量聚乙烯帶正交編織而成，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯帶式片材是由2-10層超高分子量聚乙烯帶片層單方向排布構成，并且相鄰的超高分子量聚乙烯帶片層與該帶片層成垂直方向鋪層。該專利中涉及的超高分子量聚乙烯胸插板，纖維片層垂直排列，以樹脂相互連接，在受到子彈、彈片襲擊時，易造成纖維片層見連接性不足，使其耐沖擊性不足，從而導致防彈性能較差，因此，解決這一類的問題顯得尤為重要。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料及制備方法，三維織物預制件采用真空注塑工藝，與樹脂進行結合，來獲得良好的防彈性能，來解決現有防彈性能較差的問題。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料，包括有碳纖維、芳綸、玻璃纖維、玄武巖纖維中的一種或幾種與超高分子量聚乙烯纖維共同編織，形成符合三維織物預制件，然后再與樹脂結合固化后得到輕質增強復合材料。
進一步改進在于：還包括固化劑和促進劑，固化劑選用過氧化甲乙酮，促進劑采用異辛酸鈷。
一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料的制備方法，其特征在于：制備方法包括以下步驟：
步驟一：清洗，將模具用丙酮或者潔模劑擦洗干凈，表面均勻涂覆一層脫模劑，若有必要可涂覆幾次；
步驟二：輔料剪裁，根據三維織物預制件尺寸將脫模布、真空袋、導流網、灌注螺旋管進行剪裁；
步驟三：三維織物預制件鋪設，擦洗好的模具按照其尺寸鋪上脫模布，適當固定后，然后將三維織物鋪在脫模布的上面，并按照模具的形狀、尺寸與模具充分貼合；
步驟四：樹脂調配，稱量一定質量的樹脂，并按照1~1.5%的質量百分數稱取固化劑，將固化劑在樹脂中攪拌均勻，真空脫泡10min，充分排出樹脂中的空氣；
步驟五：工藝組裝，織物鋪放完畢后，保持平整，預留織物邊緣，沿著空間邊緣粘貼真空膠帶，然后依次鋪設脫模布，導流網，真空袋，將真空袋用真空膠粘牢，將三通與螺旋管沿著織布寬度或者長度方向中心鋪設，嫁接在導流網上方，三通對面中心放置底座，底座上通真空管，然后接真空泵，三通另一端是塑料管，傳遞樹脂，為防止漏氣，將所有塑料管端口用真空膠帶密封；
步驟六：預壓實及真空度檢查，將樹脂管入口關閉，打開真空管，抽真空后，關閉真空泵，保持10min，對真空袋進行檢查，真空度穩(wěn)定，即表示密封良好；
步驟七：樹脂注入，關閉真空泵，打開樹脂入口，樹脂在大氣壓作用下進入織物內，直到樹脂進入真空塑料管時關閉樹脂入口；
步驟八：固化，將復合材料放在70℃烘箱中固化4h。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將三維織物預制件與基體樹脂相結合，三維織物預制件作為增強相，樹脂是連接增強相的基體，在復合材料收到外力作用時，樹脂能在纖維結構間的良好連接，將外力迅速分散，能有效防止子彈、彈片的穿透，對人體或裝甲車車輛具有良好的防彈性能，此外，三維織物增強復合材料相比于金屬或ud板，除了具有良好防彈性能，還具有質量輕，裝甲車負荷小的特點，平均面密度為8~20kg/m2，本發(fā)明的輕質復合材料還可用于防彈頭盔、汽車箱體、蓋板、戶外運動板材等對抵抗外力性能要求較高的領域，本發(fā)明在二維織物的基礎上，沿織物厚度方向引入捆綁紗加強了三維織物的層間聯系，預制件整體性提高，顯著提高了織物的層間剪切強度和抗沖擊性能，從而極大的提高了材料的抗損傷容限。
具體實施方式
為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結合實施例對本發(fā)明做進一步詳述，本實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。
本實施例提供了一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料，包括有碳纖維、芳綸、玻璃纖維、玄武巖纖維中的一種或幾種與超高分子量聚乙烯纖維共同編織，形成符合三維織物預制件，然后再與樹脂結合固化后得到輕質增強復合材料，還包括固化劑和促進劑。
一種超高分子量聚乙烯三維織物增強輕質復合材料的制備方法，選用深交聯結構，編織好后進行復合材料加，制備方法包括以下步驟：
步驟一：原料稱重，將邊緣修整好的三維織物預制件準確的稱量質量，并記錄，然后稱取三維織物預制件重量3.5倍的樹脂，以及占樹脂質量分數1.5%的過氧化甲乙酮，1%的異辛酸鈷；
步驟二：清洗，將模具用丙酮或者潔模劑擦洗干凈，表面均勻涂覆一層脫模劑；
步驟三：輔料剪裁，根據三維織物預制件尺寸將脫模布、真空袋、導流網、灌注螺旋管進行剪裁；
步驟四：三維織物預制件鋪設，擦洗好的模具按照其尺寸鋪上脫模布，適當固定后，然后將三維織物鋪在脫模布的上面，并按照模具的形狀、尺寸與模具充分貼合；
步驟五：樹脂調配，稱量一定質量的樹脂，并按照1~1.5%的質量百分數稱取固化劑，將固化劑在樹脂中攪拌均勻，真空脫泡10min，充分排出樹脂中的空氣；
步驟六：工藝組裝，織物鋪放完畢后，保持平整，預留織物邊緣，沿著空間邊緣粘貼真空膠帶，然后依次鋪設脫模布，導流網，真空袋，將真空袋用真空膠粘牢，將三通與螺旋管沿著織布寬度或者長度方向中心鋪設，嫁接在導流網上方，三通對面中心放置底座，底座上通真空管，然后接真空泵，三通另一端是塑料管，傳遞樹脂，為防止漏氣，將所有塑料管端口用真空膠帶密封；
步驟七：預壓實及真空度檢查，將樹脂管入口關閉，打開真空管，抽真空后，關閉真空泵，保持10min，對真空袋進行檢查，真空度穩(wěn)定，即表示密封良好；
步驟八：樹脂注入，關閉真空泵，打開樹脂入口，樹脂在大氣壓作用下進入織物內，直到樹脂進入真空塑料管時關閉樹脂入口；
步驟九：中低溫固化，在60~80℃的烘箱中進行固化，優(yōu)化70~80℃，固化4~8h。
本發(fā)明將三維織物預制件與基體樹脂相結合，三維織物預制件作為增強相，樹脂是連接增強相的基體，在復合材料收到外力作用時，樹脂能在纖維結構間的良好連接，將外力迅速分散，能有效防止子彈、彈片的穿透，對人體或裝甲車車輛具有良好的防彈性能，此外，三維織物增強復合材料相比于金屬或ud板，除了具有良好防彈性能，還具有質量輕，裝甲車負荷小的特點，平均面密度為8~20kg/m2，本發(fā)明的輕質復合材料還可用于防彈頭盔、汽車箱體、蓋板、戶外運動板材等對抵抗外力性能要求較高的領域，本發(fā)明在二維織物的基礎上，沿織物厚度方向引入捆綁紗加強了三維織物的層間聯系，預制件整體性提高，顯著提高了織物的層間剪切強度和抗沖擊性能，從而極大的提高了材料的抗損傷容限。