高性能防弹复合材料及制造方法技术

制造已经改进防弹性能和保持或改进防弹药穿透性能的防弹纤维复合材料。该复合材料由在被等离子体处理或被电晕处理改性后在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度的高韧度纤维形成，而没有由于所述处理的韧度损失。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用 本申请要求2011年9月6日提交的共同待审的美国临时申请序号N0.61/531，302的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。本申请还要求2011年12月2日提交的共同待审的美国临时申请序号N0.61/566, 295的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。专利
本专利技术涉及在通过等离子体处理或通过电晕处理(其通常损坏纤维和减低其韧度)改性后在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度的高韧度纤维。本专利技术还涉及由该改性高韧度纤维形成的纤维复合材料，所述纤维具有低复合材料背衬凹陷深度和优异的Vki性能。相关技术描述 由包含高韧度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。防弹背心、头盔、车身板和军事装备的结构件之类的制品通常由包含高韧度纤维，如SPECTRA?聚乙烯纤维或Kevlar?芳族聚酰胺纤维的机织、针织或非织造织物制成。例如，美国专利4，403，012、4，457，985、4，613，535、4，623，574、4，650，710、4，737，402,4, 748，064,5, 552，208,5, 587，230,6, 642，159,6, 841，492,6, 846，758 (所有这些都经此引用并入本文)描述了由高韧度纤维，如伸展链超高分子量聚乙烯(“UHMW PE”)纤维形成的防弹复合材料。每种类型的高韧度纤维具有自己的独特特征和性质，由高韧度纤维制成的防弹复合材料表现出不同程度的抗射弹穿透性和背衬凹陷深度(“BFS”)。在许多应用中，纤维可包封或嵌在聚合基质材料中。这在非织造织物的生产中是特别通常的。在这方面，纤维的定义性特征是纤维与表面涂料，包括树脂涂料粘合或粘着的能力。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的差粘合可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。这降低此类复合材料的防弹性质(也称作防弹性能)并造成灾难性的产品失效。例如，如共同待审的申请序号Nos.61/531，233 ；61/531，255 ;61/531，268 ;61/531，302 ;和61/531，323中所述，在由射弹冲击造成的背衬凹陷深度与防弹复合材料的组分纤维互相层离和/或与纤维表面涂料层离的倾向之间存在直接相关性。通过改进纤维表面与纤维表面涂料之间的粘合，降低纤维-纤维分离和/或纤维-涂料层离效应，由此提高纤维上的摩擦和提高射弹与纤维的咬合。粘合强度的这种改进导致复合材料结构性质的改进，从而以降低复合材料背衬变形的方式耗散射弹冲击能量。如本领域中已知，通过电晕处理或等离子体处理纤维，可以改进纤维与表面涂料粘合或粘着的能力。电晕处理是使纤维经过电晕放电站，由此使纤维网经过一系列高电压放电的方法，所述高电压放电倾向于以各种方式作用于纤维网的表面，包括点蚀、粗糙化和通过部分氧化纤维表面引入极性官能团。等离子体处理类似于电晕处理，但与电晕处理的区别主要在于，等离子体处理在受控的反应性气体气氛中进行，而在电晕处理中，反应性气氛是空气。这些处理例如通过烧蚀纤维表面、点蚀或粗糙化纤维表面、从纤维表面除去污染物、氧化纤维表面、极化纤维表面、造成纤维表面的聚合物分子的链断裂和分子量降低和/或通过经由自由基结合使纤维表面附近的聚合物链交联来改性纤维。由于这些改性，提高随后施加的材料吸附、粘着或粘合到纤维表面上的能力，由此降低纤维表面涂料的层离倾向并由此降低射弹冲击时的复合材料背衬变形。但是，现在已经认识到等离子体处理和电晕处理的苛刻条件对纤维韧度是破坏性的。数据已经表明，纤维韧度预处理明显大于纤维韧度后处理。这是不合意的，因为纤维抗穿透性与构成复合材料的纤维的物理强度成正比，因此物理强度的降低与V5tl速度的降低相关联，以牺牲抗穿透性为代价实现BFS的所需改进。相应地，本领域中仍然需要制造具有降低的背衬凹陷深度而不牺牲优异的V5tl防弹性能的防弹复合材料的方法。本专利技术为这一需求提供解决方案。专利技术概沭 本专利技术提供已通过等离子体处理改性或通过电晕处理改性的改性高韧度纤维，所述改性高韧度纤维在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度。本专利技术还提供已通过等离子体处理改性或通过电晕处理改性的改性高韧度纤维，所述改性高韧度纤维在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度，所述纤维由包括以下步骤的方法制造: a)提供在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度的高韧度纤维，其中所述纤维具有纤维表面，且其中所述表面至少部分被纤维表面整理剂覆盖或其中所述纤维基本不含纤维表面整理剂； b)当所述纤维表面至少部分被纤维表面整理剂覆盖时，从纤维表面除去至少一部分纤维表面整理剂；和 c)在有效改性高韧度纤维的条件下对所述高韧度纤维施以等离子体处理或施以电晕处理； 由此制造已通过等离子体处理改性或通过电晕处理改性的改性高韧度纤维，所述改性高韧度纤维在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度。还提供由该纤维形成的纤维层片、织物、纤维复合材料和制品。专利技术详沭 本专利技术的纤维复合材料与其它纤维复合材料的区别在于减小的对高速射弹的背衬变形以及优异的防弹药穿透性两者。对本专利技术而言，具有优异的防弹药穿透性的制品描述了表现出优异的抗可变形弹(如子弹)和抗碎片(如榴霰弹)穿透性质的那些。背衬凹陷深度衡量软质或硬质装甲由于射弹冲击而向背衬材料内或向使用者身体内变形的深度。更具体地，BFS,在本领域中也被称作“背衬变形”、“trauma signature”或“钝力伤(blunt forcetrauma)”衡量在装甲阻挡射弹穿透时射弹在装甲下方留下多少冲击，表明装甲下方的身体可能经受的钝伤。NIJ Standard 0101.04, Type IIIA概述了测量软质装甲的BFS的标准方法，其确定将由非穿透性射弹冲击造成的复合材料物理变形转移到装在开放面(openface)盒类夹具中的可变形粘土背衬材料中的方法。根据NIJ标准，将受试装甲直接固定到粘土背衬的正面并确认和测量由标准化的射弹发射条件造成的粘土的任何变形。可以使用其它方法测量BFS。目前照惯例使用NIJ标准评估用于军事用途的软质装甲复合材料。本文所用的“纤维层”可包含单向取向纤维的单层片、单向取向纤维的多个未固结层片、单向取向纤维的多个固结层片、机织物、多个固结的机织物或由许多纤维形成的任何其它织物结构，包括毡、垫和其它结构，如包含无规取向纤维的那些。“层”描述大致平面布置。各纤维层具有外顶面和外底面。单向取向纤维的“单层片”包含以单向基本平行阵列排列的非重叠纤维的布置。这种类型的纤维布置在本领域中也被称作“单带(unitape)”、“单向带”、“UD ”或“UDT ”。本文所用的“阵列”描述纤维或纱线的有序排列，这是机织物独有的，“平行阵列”描述纤维或纱线的有序平行排列。就“取向纤维”所用的术语“取向”是指与纤维拉伸相反的纤维排列。术语“织物”描述可包括一个或多个纤维层片的结构，这些层片经过或未经过模制或固结。例如，机织物或毡可包含单个纤维层片。由单向纤维形成的非织造织物通常包含互相叠加并固结的多个纤维层片。本文所用的“单层”结构是指由一个或多个独立层片或独立层构成的任何整体纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
已通过等离子体处理改性或通过电晕处理改性的改性高韧度纤维，所述改性高韧度纤维在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.06 US 61/531,302;2011.12.02 US 61/566,295;1.已通过等离子体处理改性或通过电晕处理改性的改性高韧度纤维，所述改性高韧度纤维在环境室温下具有至少大约33克/旦的韧度。2.权利要求1的改性高韧度纤维，其中所述改性纤维在环境室温下具有至少大约37克/旦的韧度。3.权利要求1的改性高韧度纤维，其中所述等离子体处理的纤维在环境室温下具有至少大约45克/旦的韧度。4.权利要求1的改性高韧度纤维，其中所述纤维具有纤维表面，且其中所述表面基本不含纤维表面整理剂。5.包含多根权利要求1的改性高韧度纤维的多纤维纱线。6.包含多根权利要求1的改性高韧度纤维的纤维层片，该多根纱线以基本平行的阵列排列。7.由多根权利要求1的改性高韧度纤维形成的织物。8.纤维复合材料，其包含多根权利要求1的改性高韧度纤维和至少部分涂覆在至少一些所述改性纤维上的聚合粘合剂材料。9.权利要求8的纤维复合材料，其包含固结的多个纤维层片，各纤维层片包含多根权利要求I的改性高韧度纤维，且其中聚合粘合剂材料至少部分涂覆在至少一些所述改性纤维上。10.权利要求9的纤维复合材料,其中所述复合材料具有根据Departmentof DefenseTest Method Standard MIL-STD-662F至少大约3300英尺/秒的对 16格令Right C...

【专利技术属性】
技术研发人员：TYT谭，DA赫斯特，M塔伦特，HG阿迪夫，JA杨，R克莱因，B格伦登，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US