陶瓷材料具有密度低、硬度高、抗压强度高等特点 ，将陶瓷材料与纤维增强树脂基复合材料制备的陶瓷增强树脂基抗弹复合材料既能提高装甲的抗弹性能又能实现减轻质量。近几年，陶瓷增强树脂基抗弹复合材料在单兵、装甲车辆、舰船、武装直升机、民用人体防护、工程防护等弹道防护领域得 到广泛应用，在轻量化和高防护方面显示出明显优势。但是陶瓷与纤维增强树脂基复合材料之间存在明显的界面，界面之间的粘接性能直接影响着复合材料的冲击性能，因此陶瓷表面的处理技术越来越受到广泛重视 。陶瓷与纤维增强树脂基复合材料之间复合属于异种材料连接，由于大部分陶瓷表面活性不高，如果不进行陶瓷表面处理，无法保障与树脂基复合材料的粘接强度，造成复合材料的冲击性能无法得到保障 ，从而制约陶瓷增强树脂基抗弹复合材料的发展。

1．1　主要原材料

    氧化铝陶瓷：10 mm，扬州北方三山工业陶瓷有限公司；玻璃纤维织物：EWR200，重庆国际复合材料有限公司；乙烯基酯树脂：Swancor901，上纬新材料科技股份有限公司；聚氨酯胶粘剂：A 组分为多元醇类，B 组分为异氰酸酯类，济南北方泰和新材料有限公司；二月桂酸二丁基锡：化学纯，国药集团化学试 剂有限公司；过氧化甲乙酮：M50，天津诺力昂化学有限公司；环烷酸钴：淄博淄川鲁峰精细化工厂；硅烷偶联剂：SG-Si1100，南京曙光化工厂；酒精、丙酮：工业级，市售。

1．2　主要设备及仪器

    真空泵：2XZ-15B 型，淄博市博山博真真空泵厂；弹种：53 式 7.62 mm 穿甲燃烧弹，市售；动态材料试验机：INSTRON8032 型，英国英斯特朗公司；落 锤 冲 击 试 验 机：CEAST9400 型，意 大 利CEAST 公司；可程式高低温实验箱：T-HWS-80U 型，东莞市 天一仪器有限公司；激光测速仪：XGK-2002 型，西安工业学院。

1．3　陶瓷增强树脂基抗冲击复合材料制备

    (1) 陶瓷表面处理。将偶联剂 SG-Si1100 配制成质量比 1%～10%浓度酒精溶液后，待用；将聚氨酯胶粘剂按照组分A ∶B=4 ∶(1～1.5) 的比例配置，搅拌均匀；将配置 的聚氨酯胶粘剂用丙酮稀释混合，搅拌均匀，置于含有密封盖塑料桶中，待用。将陶瓷表面用丙酮清洗后，采用配置的偶联剂- 酒精溶液浸泡陶瓷 1 h 后捞出晾干；采用配置的聚 氨酯胶粘剂 - 丙酮溶液喷涂陶瓷表面完成陶瓷表面 “二次处理”。

    (2) 陶瓷增强树脂基复合材料的制备。按图 1 所示结构，铺设陶瓷、纤维预成型体。止裂层为玻纤增强树脂基复合材料；陶瓷面板为“二 次处理”后陶瓷拼铺；粘结层为聚氨酯胶粘剂层；复 合材料背板为玻纤增强树脂基复合材料，铺设完预成型体后，采用真空辅助成型 (VARI) 工艺一次成型陶瓷增强树脂基复合材料。具体操作如下：裁剪 350 mm×350 mm 的玻璃纤维织物，在平板模具上铺设 2 层玻璃纤维织物， 玻璃纤维织物上面铺设处理好的陶瓷片，陶瓷片之间的间隙小于 0.1 mm，在陶瓷上面铺设 60 层玻 璃纤维织物，形成陶瓷增强树脂基复合材料预成型体。在预成型体上布设真空系统和树脂系统，并抽真空，至真空表指针指向 –0.1 MPa，保持抽真空状态。将乙烯基酯树脂∶过氧化甲乙酮∶环烷酸钴按 照1 000∶2∶0.1的比例配置10 kg树脂，搅拌均匀；将树脂连接到预成型体中的树脂系统，在真空压力下，采用真空辅助 RTM 工艺导入树脂至树脂完全充模，制备陶瓷增强树脂基抗弹复合材料试样。

    (3) 靶板制备。将制备的陶瓷增强树脂基复合材料在超高 压水切割机上以 300 mm/min 的速度切成尺寸为350 mm×350 mm 的靶板试样，切割后的靶板在烘 箱中 80℃条件下加热后固化 24 h。

1．4　性能表征

    (1) 抗冲击性能。将靶板固定在靶架上，采用 53 式 7.62 mm 弹道枪，采用激光测速仪测速，按照 GJB 59.18–1988，10 m 距离 0° 角垂直入射 7.62 mm 53 式穿甲燃烧 弹，观察每发弹后靶板陶瓷面板与复合材料背板之间的分层破坏情况，直至靶板出现分层，停止射击试验。图 2 为靶板分层情况。图 2a 为未分层，则继续射击；图 2b 为分层破坏明显，停止射击。通过比较不同的试验方案导致分层弹丸的数量来表征陶瓷处理界面性能优异程度和抗多发弹的能力。能承受更多弹丸射击而不分层的靶板，说明该靶板的性能更加优异。

    先从靶板取样切割成短梁剪切试样，参照 JC/T 773 方法测试常温剪切强度，然后对不同陶瓷表面处理方案试样进行温度周期循环，每个温度周期循环温控曲线如图 3 所示。测试温度一个循环周期不同方案的层间剪切强度变化情况。此试验重点考察由于陶瓷与复合材料线膨胀系数存在差异，不同陶瓷表面处理方案条件下，陶瓷增强树脂基复合材料耐高低温环境适应性情况。

2．1　异氰酸根用量对陶瓷增强树脂基复合材料抗弹性能的影响

    聚氨酯胶粘剂是双组分胶粘剂材料，其中 B 组分为含有游离异氰酸酯的预聚物，按照质量比为4 ∶1 的比例使用，考察 A，B组分不同配比对陶瓷增强树脂基复合材料抗弹性能的影响，见表 1。

    由表 1 可见，聚氨酯胶粘剂 A，B 两个组分配比 为 4 ∶1 时为等当量反应，聚氨酯胶粘剂固化后没有游离的异氰酸根存在，造成了陶瓷上的偶联剂活 性点和树脂基体中的羟基无法形成化合键，因此粘接强度无法满足复合材料的抗弹性能要求。如果B组分用量过大，多余的未反应游离的异氰酸根在体系内“阻碍”界面处聚氨酯树脂体系固化，形成“缺 陷”，导致界面性能差，从而抗多发弹能力弱。

    A ∶B 组分质量比为 4 ∶1.4 为最佳比例，偶联剂一端能够与陶瓷表面的原子形成共价键，另一端含有活性基团，可以与异氰酸酯中的异氰酸酯基团反应，形成较好的界面性能 。异氰酸酯的活性基团同时又可以与乙烯基酯树脂中的羟基反应，从而建立起乙烯基酯树脂与陶瓷之间的粘接桥梁，满足了陶瓷与树脂基体的粘接强度，从而提高了陶瓷增强树脂基复合材料的抗弹性能。

2．2　聚氨酯胶粘剂用量对陶瓷增强树脂基复合材料抗弹性能的影响

    聚氨酯胶粘剂用量对陶瓷增强树脂基复合材料的抗弹性能具有直接影响，聚氨酯胶粘剂用量在陶瓷表面形成的弹性膜的厚度决定了陶瓷与复合材料之间的粘接强度。弹性膜的厚度取决于陶瓷表面处理步骤中聚氨酯胶 - 丙酮溶液浓度，当聚氨酯胶占其丙酮溶液的比例越高，喷涂形成的膜厚度越厚， 喷涂次数越少。根据试验结果，其大致对应关系列 于表 2。

    聚氨酯胶粘剂与陶瓷的成膜厚度对陶瓷增强树脂基复合材料抗弹性能的影响见表 3。

    由表 3 可见，最佳成膜厚度为 1 mm。成膜厚度太大将影响陶瓷增强树脂基复合材料的刚度，成膜厚度太小陶瓷与复合材料之间的界面粘接不足，均会对陶瓷增强树脂基复合材料的抗弹性能造成不利影响。

2．3　聚氨酯胶粘剂的反应时间对陶瓷增强树脂基复合材料抗弹性能的影响

    以聚氨酯胶粘剂与陶瓷成膜厚度 1 mm 为标准厚度，通过调整促进剂二月桂酸二丁基锡用量，调整聚氨酯胶粘剂的反应时间制得样品并进行靶试试验，得出的试验结果列于表 4。

    由表 4 可见，聚氨酯胶粘剂反应时间太短时，仅打1发弹丸靶板就出现分层破坏情况，说明聚氨酯固化速度太快，二次处理效果比常规的硅烷偶联剂效果还差。分析原因是，“二次处理”的聚氨酯体系化时间太短时，覆盖硅烷偶联剂界面，复合材料基板树脂未与之有效反应，导致陶瓷表面胶粘剂的活性 点越少，粘接性能就会受到影响从而影响陶瓷增强 树脂基复合材料的抗弹性能。从表 4 可看出，聚氨 酯胶粘剂反应时间越长越好，8 h 以上即可满足陶 瓷增强树脂基复合材料的使用要求。

2．4　聚氨酯胶粘剂处理的陶瓷对陶瓷增强树脂基复合材料耐高低温环境适应性影响

   多层复合产品在高低温交变条件下的层间性能状态不稳定，选取层间剪切强度，对采用硅烷偶联剂和聚氨酯胶粘剂 - 丙酮溶液二次处理的陶瓷制作的复合材料靶板与采用硅烷偶联剂处理、未与聚氨酯胶粘剂 - 丙酮溶液二次处理的陶瓷制作的 复合材料靶板进行耐高低温环境适应性试验见图4，进一步验证聚氨酯胶粘剂的应用特性。

    由图 4 可以看出，经过聚氨酯胶粘剂处理的试样，层间剪切强度高于未处理的试样。高低温循环100 次后，经过聚氨酯胶粘剂处理的试样层间剪切强度值高出未处理试样 16%，这对于陶瓷增强树脂基复合材料长期使用具有积极的意义。聚氨酯胶粘剂具有较好的弹性，处理陶瓷表面时，形成一层弹性的膜，陶瓷与复合材料的线膨胀系数存在差异，随着环境温度的冷热交替，陶瓷与复合材料界面之间的膜产生弹性变形，避免分层，从而可大幅度提高陶瓷增强树脂基复合材料的使用可靠性。