[发明专利]微米及纳米材料增强的仿生层状复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生层状复合材料领域，特别涉及微米及纳米材料增强的仿生层状复合高抗冲击材料及其制备方法。

背景技术

抗冲击性材料作为防护材料广泛应用于现代社会的安保、防恐怖袭击及战争中。按照其用途可以将抗冲击性材料分为普通抗冲击性材料与高级抗冲击性材料。普通抗冲击性材料一般用于民生之中，如潜水服、登山服、建筑头盔等等；高级抗冲击性材料一般用于国防军事及科学研究中，如航空服、实验防护服、装甲防护用品等等。但是，由于现代科技的发展，日常生活中对防护材料的要求也越来越高，这两者之间的界限日趋模糊。现代高抗冲击性材料应尽可能满足“高硬度、高强度、高韧性、低密度、低成本”的要求。抗冲击性材料多为金属板、陶瓷板及与高性能纤维复合板复合而成的板材。但是这些复合材料的抗冲击性能有限，要保证其防护效果，必须增加厚度重量或叠加使用，导致材料硬且笨重。多层复合材料的抗冲击性能要明显好于单层均质材料，但是多层材料存在的质量大、层间粘合牢度差、综合强韧舒适性有待提高等问题，给配备人员和器材造成了较大的负重及安全隐患，降低了战术战略的有效性。改善材料的结构来降低重量并提高单位面积重量的耐冲击性，对于发明新型防护材料、改善其综合性能意义重大。同时，由于贝壳、牙齿等类骨组织是高度结构化多功能复合材料的典范，仿造类骨材料的结构制成的纳米尺度无机颗粒与高分子材料多层复合在一起的复合仿生材料的多级结构也具有十分优异的力学性能。所以如果将仿生手段与多层抗冲击复合材料的研究结合在一起，将会提高材料的综合性能。

金属板材的高抗冲击性材料（包括防弹钢、铝合金、钛合金等）主要应用于运钞车、武警公安防爆车及防弹轿车等特种车辆。但是金属抗冲击性材料的焊接和热影响区性能、应力腐蚀性能及板材表面质量均较差，成形性有限，异型构件制作难度大，从而导致了材料的防护能力及可靠性下降，不利于人体的近身防护和战术性能的发挥，并且该材料的使用成本较大（材料导报.2005，19(z2)）。陶瓷板材料具有高硬度、高抗压强度、高弹性模量且耐高温，并具有良好的化学稳定性、相对较低的密度、高中子吸收能力和良好的耐冲蚀及耐磨损性能，有利于抵御高速穿甲弹的侵蚀并能减轻装甲重量，所以是一种良好的高抗冲击性材料。目前在主战坦克上将陶瓷用做间隙复合装甲的夹层材料及其它抗冲击性用途都非常普遍。然而由于其断裂韧性差、脆且易氧化、与金属亲和力强、难烧结和加工性能差等缺点，陶瓷材料至今仍然不能作为均质装甲单独使用；并且陶瓷材料的硬度对成分和组织比较敏感，难于应用于工业化生产（宇航材料工艺.2000，30（5））。高性能纤维具有较高的强度、较高的模量、适当的断裂伸长率和良好的耐腐蚀性及阻燃性，并且其密度比金属低很多，因此高性能纤维在防护材料领域，尤其在个体防护领域有着重要的应用。用高性能纤维复合板材料和抗冲击性材料制成的复合材料质轻、柔韧性好、防护效果佳。这种高性能纤维复合抗冲击材料主要用于各式的防弹衣和防弹头盔中。由于目前应用广泛的高性能纤维有碳纤维、芳纶、液晶聚合物基材纤维（如PBO纤维）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）和玻璃纤维等等。这些纤维通过不同的复合工艺手段，可以制成与实际需要相符的产品，如用溶液纺丝法制得的超高分子量聚乙烯纤维具有突出的抗弹丸冲击性能和耐环境腐蚀性能。但是高性能纤维复合材料的缺点在于纤维表面光滑，与树脂基体之间的界面结合强度比较弱并且抗压缩强度较低（轻纺工业与技术.2010，39（4））。