混杂纤维复合材料梯度设计及防弹性能

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20251028.005

复合材料科学与工程 ›› 2025, Vol. 0 ›› Issue (10): 28-33.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251028.005

混杂纤维复合材料梯度设计及防弹性能

张慧慧^1,2, 覃彬^1,2, 董方栋^1,2

1.中国兵器装备集团兵器装备研究所一室,北京 102202;
2.瞬态冲击全国重点实验室,北京 102202

收稿日期:2025-06-06 出版日期:2025-10-28 发布日期:2025-12-02
作者简介:张慧慧(1987—),女,硕士,高级工程师,研究方向为单兵防护,stefenelena@126.com。
基金资助:
国家自然科学基金(U2241273)

Gradient design and ballistic performance of hybrid fiber composites

ZHANG Huihui^1,2, QIN Bin^1,2, DONG Fangdong^1,2

1. First office, Institute of Ordnance Equipment, China South Industries Group Corporation, Beijing 102202, China;
2. National Key Laboratory of Transient Impact, Beijing 102202, China

Received:2025-06-06 Online:2025-10-28 Published:2025-12-02

摘要/Abstract

摘要： 本研究对芳纶纤维与超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维混杂复合材料梯度设计的防弹性能影响进行了探究。设计5种UHMWPE含量梯度方案(层数分别为0,10,20,30,40层),总面密度均严格控制在(6±0.05) kg/m²以下。通过弹道测试(分别以芳纶和UHMWPE作为弹击面),系统分析了纤维含量及铺层顺序对层合板弹道极限速度V₅₀和弹道性能指数(Ballistic Performance Index,BPI)的影响规律,并基于试验数据建立了纤维含量与防弹性能的三次项非线性回归定量关系模型(R²>99%),为混杂纤维复合材料的梯度设计与防弹装备开发提供了科学依据。

关键词: 混杂纤维, 复合材料, 梯度设计, 芳纶, 超高分子量聚乙烯, 弹道极限速度, 弹道性能指数

Abstract: This study investigated the influence of gradient design on the ballistic performance of aramid fiber and ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber hybrid composites. Five gradient schemes with varying UHMWPE content (corresponding to 0, 10, 20, 30 and 40 layers) were designed, with the total areal density strictly controlled below (6±0.05) kg/m² for all configurations. Ballistic tests were conducted, utilizing both aramid and UHMWPE as the impact faces, to systematically analyze the effects of fiber content and stacking sequence on the ballistic limit velocity V₅₀ and ballistic performance index (BPI) of the laminates. Based on the experimental data, a cubic nonlinear regression quantitative relationship model (R²>99%) between fiber content and ballistic performance is established,which provides a scientific basis for the gradient design of hybrid fiber composites and the development of ballistic protection equipment.

Key words: hybrid fibers, composites, gradient design, aramid, UHMWPE, ballistic limit velocity, ballistic performance index

中图分类号:

TB332

张慧慧, 覃彬, 董方栋. 混杂纤维复合材料梯度设计及防弹性能[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(10): 28-33.

ZHANG Huihui, QIN Bin, DONG Fangdong. Gradient design and ballistic performance of hybrid fiber composites[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2025, 0(10): 28-33.

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Gradient design and ballistic performance of hybrid fiber composites

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