專利名稱：：玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法
技術領域：
：本發明涉及撞擊防護結構材料的制備方法。
背景技術：
：目前在航天器空間碎片超高速撞擊防護工程上廣泛采用的防護結構形式，是在航天器主體艙壁結構外側設置防護屏障，稱為防護屏或防護板。空間碎片撞擊航天器時，首先與防護屏相撞，空間碎片被破碎成尺寸更小的二次碎片，其物理狀態也發生改變，如產生熔化或汽化等，即形成了"二次碎片云"。二次碎片云最終撞擊到航天器主體艙壁結構時，已轉化為分散在較大撞擊面積上的多點撞擊，減輕了空間碎片對航天器主體艙壁結構的損傷。這種防護概念是美國天體物理學家Whipple于1947年提出來的。在艙壁結構外部，間隔一定距離設置一層鋁合金板防護屏的防護結構，是航天器空間碎片防護結構的基本構型，稱為Whipple防護結構。填充Whipple防護結構(StuffedWhippleShielding)，簡稱為填充防護結構，是在Whipple防護結構中的鋁合金防護屏(前板)和艙壁(后板)之間加入其他填充材料后形成的一種高性能防護結構。在國際空間站(ISS)美國艙段上使用的填充防護結構中的填充材料為Nextel陶瓷纖維布和Kevlar高強纖維布(簡稱為N/K填充Whipple防護結構)。Nextel陶瓷纖維布的一個主要作用是能比相同面密度的鋁合金板對撞擊彈丸產生更高的沖擊壓力從而對彈丸造成更充分的破碎。Kevlar高強纖維布布置在Nextel陶瓷纖維布后面，其強度重量比比鋁合金高出很多，Kevlar高強纖維布更有效地使彈丸碎片減速并且使碎片云的膨脹速度在撞到防護結構后板之前降下來。Kevlar和Nextel纖維都是高強度、高模量纖維，是空間碎片先進防護結構的重要組成材料；但是Nextel陶瓷纖維布的價格昂貴(約為5580元/千克)，國內目前尚不能生產此類產品，在國際市場也難于買到。Kevlar高強纖維布國內有相應類似產品生產，但也價格高昂(約為350元/千克)。哈爾濱工業大學學報第39巻第5期(2007年5月出版)779-782刊載了作者為哈躍，龐寶君，管公順和張偉的題目為"玄武巖纖維布Whipple防護結構超高速撞擊損傷分析"的論文，該論文探討了將玄武巖纖維織物作為航天器空間碎片超高速撞擊損傷防護結構的增強材料用于航天領域的可行性，探討了含玄武巖纖維混合編織材料的材料抗撞擊損傷防護作用(該論文沒有涉及單一玄武巖纖維材料)，但是文中所謂的"玄武巖纖維布或玄武巖纖維織物"，實際上是以玄武巖纖維紗線為經紗，以玻璃纖維紗線為緯紗的兩種材料混合編織材料，且是一層混編纖維布，同時采用的涂膠種類為氯丁膠，這些原因導致了該材料抗撞擊損傷防護性能不好。
發明內容本發明為了解決現有N/K填充Whipple防護結構中所用材料Kevlar和Nextel難于買到且成本高昂，及論文"玄武巖纖維布Whipple防護結構超高速撞擊損傷分析"中所涉及的材料抗撞擊損傷防護性能不好的問題，而提供玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法。玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法按以下步驟實現一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中，即得到玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料；其中步驟一種噴膠的膠種采用氯丁膠、環氧樹脂膠或液體硅酸鈉。本發明中玄武巖纖維布中的玄武巖纖維是高性能無機纖維，玄武巖纖維的主要成分是硅、鋁氧化物，硅、鋁氧化物構成了骨架結構，有利于提高纖維的彈性和化學穩定性。玄武巖纖維中的硅、鋁氧化物通過氧原子連接形成連續的線性晶格，使纖維具有縱向的高強度，其抗拉強度可達4GPa，彈性模量高達110GPa，玄武巖纖維在耐高溫、耐腐蝕、隔熱保溫及電絕緣性等方面具有優良的性能。本發明采用玄武巖纖維布作為填充材料代替Nextel陶瓷布和Kevlar高強纖維的填充防護結構，可應用于航天器空間碎片超高速撞擊防護。本發明中的玄武巖纖維布易于獲得且成本低，僅為35元/千克，同時具有較高的破碎彈丸能力和消耗彈丸撞擊能量能力，制備成玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料后的抗撞擊損傷防護效果比論文"玄武巖纖維布Whipple防護結構超高速撞擊損傷分析"中所涉及的材料的防護效果好，而且與N/K填充Whipple防護結構相比性能相當或略優。圖1為具體實施方式三中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的示意圖，其中1表示鋁防護屏，2表示鋁艙壁板，3表示防護間距，4表示薄鋁板，5表示玄武巖纖維布；圖2為具體實施方式四中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的示意圖，其中1表示鋁防護屏，2表示鋁艙壁板，3表示防護間距，4表示玄武巖纖維布；圖3為具體實施方式三中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料與N/K填充Whipple防護結構材科的高速撞擊極限曲線圖，其中參表示WBF/AL防護結構實驗點，艙壁未擊穿，0表示TOF/AL防護結構實驗點，艙壁擊穿，A表示WBF/AL防護結構實驗點，艙壁未擊穿但有微裂紋，實線一表示N/K填充Whipple防護結構撞擊極限曲線，撞擊極限曲線下方為有效防護區域，鋁防護屏和填充材料的總面密度mb=0.5316g/cm2。具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一本實施方式玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法按以下步驟實現一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中，即得到玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料；其中步驟一種噴膠的膠種采用氯丁膠、環氧樹脂膠或液體硅酸鈉。本實施方式步驟一中噴膠處理，即在玄武巖纖維布上噴涂一層膠。本實施方式步驟一中噴膠的膠種采用氯丁膠或液體硅酸鈉均為市面出售的成品膠；環氧樹脂膠需現場配制，采用618#環氧樹脂，加入占環氧樹脂質量8%10%的固化劑和占環氧樹脂質量20%30%的増塑劑(増塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯)。本實施方式步驟一中玄武巖纖維布中的玄武巖纖維與Kevlar、Nextel還有混編玄武巖纖維進行性能比較，結果如表1所示，混編玄武巖纖維的性能差；單一玄武巖纖維的最高抗拉強度可達4.8GPa，高于Kevlar，并遠高于Nextel;玄武巖纖維的彈性模量最高可達llOGPa，雖低于Kevlar和Nextel的彈性模量，但仍屬于高模量纖維；單一玄武巖纖維的延伸率和密度都是最大的，通過比較可知本實施方式中單一玄武巖纖維具備了Kevlar和Nextel—類先進空間碎片防護材料的主要特征。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>對本實施方式步驟一中玄武巖纖維布進行鋁合金球形彈丸超高速撞擊損傷實驗，確認玄武巖纖維布對鋁合金球形彈丸造成的損傷為在撞擊速度接近于2.4km/s時，鋁合金球形彈丸前部(彈丸與纖維布接觸面)局部材料熔化，玄武巖纖維絲斷口處纖維絲熔化后凝結成的球狀顆粒(熔球)，可知熔化是在鋁合金彈丸前表面與玄武巖纖維布正面纖維撞擊接觸時發生的，熔球是從鋁合金彈丸前表面飛濺出來的，由此可確認鋁合金彈丸撞擊玄武巖纖維布出現前部局部熔化的速度低于并接近于2.34km/s;隨著撞擊速度的提高，鋁合金球形彈丸后部損傷形態依次為產生層裂、層裂區域擴展形成層裂殼、層裂殼破碎、彈丸整體破碎；實驗表明玄武巖纖維布具有較高的破碎彈丸能力和消耗彈丸撞擊能量能力；可以確認在防護結構材料的面密度相同時，玄武巖纖維布填充防護結構的防護效果與Nextel和Kevlar填充防護結構的防護效果接近或略好。具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中玄武巖纖維布為玄武巖纖維紗線織成的二維或三維織物。其它步驟及參數與具體實施方式一相同。具體實施方式三本實施方式本實施方式玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法按以下步驟實現一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中，即得到玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料；其中步驟一種噴膠的膠種采用環氧樹脂膠。本實施方式中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料如圖1所示，由鋁防護屏、鋁艙壁板、薄鋁板和玄武巖纖維布組成，其中鋁防護屏1為12mm的鋁合金板，鋁艙壁板2為35mm的鋁合金板，薄鋁板3為0.30.6mm的鋁合金板，且布置在鋁防護屏1與鋁艙壁板2的中間位置；總防護間距3為鋁防護屏前表面至鋁艙壁板后表面之間的距離，距離為525mm;玄武巖纖維布采用等間距的方式布置在薄鋁板3前后。本實施方式中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料(簡稱為WBF/AL防護結構)與N/K填充Whipple防護結構材料在面密度相同的條件下進行高速撞擊對比實驗，結果由圖3可知，麗S031未擊穿實驗點，位于用于對比的N/K填充Whipple防護結構撞擊極限曲線的上方，表明，在艙壁不擊穿無剝落的條件下，WBF/AL防護結構能防護的彈丸直徑大于N/K填充Whipple防護結構；在撞擊速度為4.03km/s時，WBF/AL防護結構能防護直徑為6.35mm的鋁合金彈丸，而相同面密度的N/K填充Whipple防護結構能防護的最大彈丸直徑為66.lmm，WBF/AL防護結構比N/K填充Whipple防護結構防護彈丸的直徑增加了5.84.1%;從另一方面看，WBF/AL防護結構能防護6.35mm鋁合金彈丸而不擊穿無剝落的高速區范圍的速度為4.03km/s，而相同面密度的N/K填充Whipple防護結構在高速區防護6.35mm鋁彈丸的極限速度(最小速度)為4.24.25km/s，WBF/AL防護結構比N/K填充Whipple防護結構的防護速度降低了45.2%，使不擊穿無剝落的高速區范圍增大。將麗S031點(未擊穿實驗點)與麗S055點(微裂紋實驗點)用一根虛線連接起來作為參考線，可以表示出WBF/AL防護結構極限曲線高速區段的大致位置；該參考線大部分位于N/K填充結構撞擊極限曲線直線段的左側，表明WBF/AL防護結構在高速區的防護性能相當于或略優于N/K填充Whipple防護結構。3.97mm直徑彈丸的三發實驗中的艙壁板均未擊穿，其中速度較低的兩發實驗的實驗點在圖3中均位于N/K填充Whipple防護結構撞擊極限曲線上方，表明WBF/AL防護結構在低速區與高速區分界位置附近的防護性能優于N/K填充Whipple防護結構。可見，本實施方式中玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料(涂環氧樹脂的玄武巖纖維布/鋁合金板填充防護結構)在3.97mm至6.35mm直徑彈丸范圍內的防護性能，或者說在2.35km/s至4.06km/s速度范圍內防護性能與N/K填充Whipple防護結構相當或略優。具體實施方式四本實施方式玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法按以下步驟實現一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中，即得到玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料；其中步驟一種噴膠的膠種采用氯丁膠。本實施方式中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料如圖2所示，由鋁防護屏、鋁艙壁板和玄武巖纖維布組成，其中鋁防護屏1為12mm的鋁合金板，鋁艙壁板2為35mm的鋁合金板；總防護間距3為鋁防護屏前表面至鋁艙壁板后表面之間的距離，距離為525mm;玄武巖纖維布采用等間距的方式布置在鋁防護屏1和鋁艙壁板2之間。本實施方式中所得玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料與N/K填充Whipple防護結構材料在面密度相同的條件下進行高速撞擊對比，防護性能與N/K填充Whipple防護結構相當或略優。權利要求玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法，其特征在于玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法按以下步驟實現一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中，即得到玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料；其中步驟一種噴膠的膠種采用氯丁膠、環氧樹脂膠或液體硅酸鈉。2.根據權利要求1所述的玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法，其特征在于步驟一中玄武巖纖維布為玄武巖纖維紗線織成的二維或三維織物。全文摘要玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料的制備方法，它涉及撞擊防護結構材料的制備方法。本發明解決了現有N/K填充Whipple防護結構中所用材料Kevlar和Nextel難于買到且成本高昂，及論文“玄武巖纖維布Whipple防護結構超高速撞擊損傷分析”中所涉及的材料抗撞擊損傷防護性能不好的問題。方法一、對玄武巖纖維布進行噴膠處理，然后干燥；二、干燥后的玄武巖纖維布置于Whipple防護結構中即得。本發明玄武巖纖維布易于獲得且成本低，僅為35元/千克，制備成玄武巖纖維布填充超高速撞擊防護結構材料后的抗撞擊損傷防護效果好，而且與N/K填充Whipple防護結構相比性能相當或略優。文檔編號D06M15/693GK101792026SQ201010148729公開日2010年8月4日申請日期2010年4月16日優先權日2010年4月16日發明者哈躍,龐寶君,管公順申請人:哈爾濱工業大學