确定纳米填料如何增强凯夫拉环氧复合材料

一组研究人员最近在《Materials Today: Proceedings》上发表了一篇论文，研究了不同碳纳米管（CNT）纳米填充物浓度对环氧树脂/凯夫拉尔复合材料的影响和机械性能，特别是弹道性能。

研究：纳米粉末侵入凯夫拉尔聚合物复合材料靶材的弹道性能。 图片来源：Composite_Carbonman/Shutterstock.com

现有树脂/纤维复合材料的局限性

“终端弹道学”通常是国防领域多个应用中重要和关注的领域。在这些应用中，防弹衣在使用范围和支出方面已经获得了突出的地位。目前，研究的重点是在现代防弹衣中具有显着应用潜力的复合材料，因为它们具有柔性纤维增强相，刚性基质相以及改善这些相之间相互作用的填料。

Kevlar是一种轻质纤维，由于其令人印象深刻的性能，由于其分子排列和生产方法，通常优选用于国防和航空航天工业中的高拉伸和高韧性应用。凯夫拉纤维毡通常用于软装甲面板（SAP）以及硬装甲面板（HAP）。

环氧树脂由于其优异的热性能，出色的耐化学性和高粘合性，被认为是现代防弹衣的合适聚合物基质。然而，树脂基体的脆性限制了其在高韧性应用中的应用。因此，必须提高增强纤维和基体的性能，以提高复合纤维的整体有效性。

纳米填充物对改善环氧树脂/凯夫拉尔复合材料性能的重要性

纳米填充物可以通过表面粘合来增强纤维和基质的相互作用性能。此外，这些物质可以作为对脆性压裂的抵抗力。多壁碳纳米管（MWCNTs）由于其优异的电学，热学和机械性能，更适合于各种合成和天然纳米填充物。此外，碳纳米管的高纵横比使其适用于改善整体复合材料性能。

在环氧树脂中加入较低的碳纳米管可以显著提高基体的断裂韧性、拉伸模量和拉伸强度。然而，基质中CNT的较高添加量会导致由于范德瓦尔斯吸引力高而结块。因此，较高的CNT添加导致整体基质性质的改善很小。

因此，必须评估不同碳纳米管浓度对冲击和机械性能的影响，以开发有效的环氧树脂/凯夫拉尔复合材料。

不同纳米填充剂浓度环氧树脂/凯夫拉复合材料的合成与评价

在这项研究中，研究人员合成了三种环氧树脂/纤维复合材料，一种没有CNT纳米填充物，两种没有纳米填充物，并从拉伸强度，层间剪切应力（ILSS）和弹道性能方面评估了合成的样品。使用气枪装置来确定合成复合材料的弹道行为。

在弹道性能评估期间，使用直径为10毫米，重量为7.85克的硬化锥形射弹对复合材料产生低速弹道冲击。研究人员还对制造的样品进行了分形学研究。

以尺寸在10~20纳米、长度超过10微米的MWCNTs、简单的250克/平方米平纹凯夫拉毡、双酚A型环氧树脂、Aradur硬化剂和乙醇作为研究的起始原料。在将接收到的纳米填料用于复合制备之前，对它们进行了处理，因为在这些CNT中观察到高度的团聚，这可能会对最终的复合性能产生不利影响。

将特定量的CNT与乙醇混合，并将混合物探针用水浴超声处理一个多小时，以在纳米填充物中实现解聚。随后，将混合物置于热板磁力搅拌器中，并将树脂逐渐加入到混合物中。在蒸发乙醇的过程中温度升高并降低所得混合物的粘度。通过将残留的乙醇放入热风烘箱中，从混合物中除去，以获得最终的CNT/环氧树脂混合物。

采用手工铺层法合成复合材料。最初，Kevlar垫子被切割并用乙醇和蒸馏水按顺序清洗，并在烤箱中干燥。随后，将垫子放置在300×300毫米模具中的堆叠结构中，并在层板上分配环氧树脂或CNT /环氧树脂混合物和硬化剂的混合物。将模具封闭并固化24小时，得到环氧树脂/纤维复合材料。

在没有纳米填充物的情况下合成了三种复合材料。未填充的复合材料作为参考，而另外两种含有0.5重量百分比和1重量百分比的CNT纳米填充物的复合材料分别被指定为KC0.5和KC1。

研究的意义

成功合成了带和不带纳米填充剂的环氧纤维复合材料。与没有纳米填充物的复合材料相比，带有纳米填充物的复合材料表现出优异的冲击力和机械性能。与参考样品和KC1样品相比，KC0.5样品的ILSS和抗拉强度明显更高。KC0.5样品还显示出在弹丸撞击时对能量的吸收要大得多。此外，与其他复合材料相比，KC0.5样品的平均退出速度最低。

分形学研究表明，KC1样品的背面变形最小，而KC0.5样品的正面损伤较低，因为CNT纳米填充物有助于形成坚固的环氧层，该层屏蔽了弹丸对复合材料的影响以及纤维与基质之间的界面键合的改善。

综上所述，本研究结果表明，碳纳米管含量较低的环氧树脂/纤维复合材料具有优异的冲击性能，包括弹道性能，可以有效降低小射弹的低速冲击。因此，这些复合材料可用于国防应用，如现代防弹衣。

Source

Sukanya, N. M., Sundaram, S. K., David, A. et al. Ballistic performance of nanopowder intruded Kevlar polymeric composite targets. Materials Today: Proceedings 2022. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785322020624?via%3Dihub