本发明涉及一种三维织物增强轻质复合材料，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料及其制备方法。
背景技术：
随现代科学技术的飞速发展，攻击武器系统取得了长足的发展，迫使坦克车辆的金属防护层越来越厚，其战斗全重越来越大，严重影响作战的机动性能和快速反应能力。传统的金属材料越来越难以满足新型坦克车辆的综合战技指标要求。减轻装甲车辆自身重量、提高坦克车辆防护性能、增强战场突防能力，迫切需要应用轻质高强、具有良好抗弹性能和优良耐疲劳性能的轻质材料替代传统的金属材料。轻质防弹材料不仅要重量轻，同时还须满足抗弹、隐身、减震降噪、三防、阻燃等性能要求。现代侦察技术、攻击性武器制导技术、核辐射等的发展对装甲车体防护提出了更高的要求。单独使用传统的金属材料已不能满足各方面的需求。随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，高性能纤维得到了不断的发展创新，目前已经进入到了一个高速发展的阶段。纤维材料在防弹领域的应用崭露头角发挥了越来越重要的作用。尤其是uhmwpe纤维、芳香族聚酰胺纤维等高性能纤维在防弹装备方面的应用得到了各国军事力量的重视。高性能纤维具有较高的强度、较高的模量和适当的断裂伸长率，且纤维的密度低于金属材料。因此，高性能纤维材料制成的防弹材料质轻、柔韧性好、防护效果佳。近年来，各国采用高性能纤维材料开发出了各种软式、软硬复合式防弹衣和防弹头盔。纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、性能可设计性强、电性能好及耐疲劳性好等特点，将其与传统的防弹材料-诸如陶瓷、钢板等一一进行复合得到结构/功能一体化的轻质装甲材料,可降低装甲车辆战斗全重达30%以上,实现机动性和防护能力的统一,提高车辆的生存能力。
目前，应用于防弹领域的高性能纤维主要有碳纤维、芳纶、芳香族杂环类纤维、uhmwpe纤维、玻璃纤维，进入21世纪以来，随着科学技术的发展，高性能纤维及其增强的复合材料被广泛应用于船舶、汽车、航空航天、国防兵器等各个领域，而且纤维增强树脂基复合材料在国民生产中所占的比重越来越大。目前，用于增强树脂基复合材料的纤维主要有碳纤维、芳纶及超高分子量聚乙烯纤维，是近年来不断发展起来的公认的高性能纤维，具有高强、高模、抗冲击、耐腐蚀等优良性能。
高性能纤维复合材料的轻量和柔韧，使得这些材料成了现代个体防弹领域的主导性材料。在防护铅芯的手枪弹或冲锋枪弹的软体防弹复合材料中，主要的高性能纤维包括芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、pbo纤维、炭纤维和玻璃纤维等，主要的织物形式有机织布、单向无纬布(ud布)、双轴向经(纬)编织物等。与其他织物相比，无纬布的生产方式避免了编织过程中对纤维的损伤．纤维的强度、模量等力学性能指标未受影响．而且在弹击后应力波和能量由弹击点向外传播速度更快。相比于碳纤维与芳纶，超高分子量聚乙烯纤维不仅具有极高的强度，且其原料易得，加工相对容易，故在防弹领域，超高分子量聚乙烯纤维的发展也较为迅速。目前已商品化的几种uhmwpe纤维，相对密度为0.97g/cm3，是所有高性能纤维中密度最小的，是铝的l/3和钢的1/8，是芳纶的2/3，碳纤维的1/2；uhmwpe纤维复合材料要比芳纶复合材料轻20％，比碳纤维复合材料轻30％。传统的超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料多以ud布的形式成纤，其为多层高强度纤维按照垂直的方式叠加并通过热压而成的片材。ud布是一种二维织物，由2个相互垂直排列的纱线系统按照一定的规律交织而成。
已公告的中国专利cn204612596u本实用新型公开了一种防弹胸插板。所述防弹胸插板由陶瓷迎弹面和超高分子量聚乙烯背衬板组成。超高分子量聚乙烯防弹背衬板由多层超高分子量聚乙烯带式片材热压成型，或者超高分子量聚乙烯带式片材与超高分子量聚乙烯无纬布热压成型。胸插板，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯带式片材是由1-6层单条超高分子量聚乙烯带片层构成，并且相邻层的超高分子量聚乙烯带片层交错排布；其中所述的超高分子量聚乙烯带片层是由两层超高分子量聚乙烯带正交编织而成，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯带式片材是由2-10层超高分子量聚乙烯带片层单方向排布构成，并且相邻的超高分子量聚乙烯带片层与该带片层成垂直方向铺层。该专利中涉及的超高分子量聚乙烯胸插板，纤维片层垂直排列，以树脂相互连接，在受到子弹、弹片袭击时，易造成纤维片层见连接性不足，使其耐冲击性不足，从而导致防弹性能较差，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料及制备方法，三维织物预制件采用真空注塑工艺，与树脂进行结合，来获得良好的防弹性能，来解决现有防弹性能较差的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料，包括有碳纤维、芳纶、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或几种与超高分子量聚乙烯纤维共同编织，形成符合三维织物预制件，然后再与树脂结合固化后得到轻质增强复合材料。
进一步改进在于：还包括固化剂和促进剂，固化剂选用过氧化甲乙酮，促进剂采用异辛酸钴。
一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：
步骤一：清洗，将模具用丙酮或者洁模剂擦洗干净，表面均匀涂覆一层脱模剂，若有必要可涂覆几次；
步骤二：辅料剪裁，根据三维织物预制件尺寸将脱模布、真空袋、导流网、灌注螺旋管进行剪裁；
步骤三：三维织物预制件铺设，擦洗好的模具按照其尺寸铺上脱模布，适当固定后，然后将三维织物铺在脱模布的上面，并按照模具的形状、尺寸与模具充分贴合；
步骤四：树脂调配，称量一定质量的树脂，并按照1~1.5%的质量百分数称取固化剂，将固化剂在树脂中搅拌均匀，真空脱泡10min，充分排出树脂中的空气；
步骤五：工艺组装，织物铺放完毕后，保持平整，预留织物边缘，沿着空间边缘粘贴真空胶带，然后依次铺设脱模布，导流网，真空袋，将真空袋用真空胶粘牢，将三通与螺旋管沿着织布宽度或者长度方向中心铺设，嫁接在导流网上方，三通对面中心放置底座，底座上通真空管，然后接真空泵，三通另一端是塑料管，传递树脂，为防止漏气，将所有塑料管端口用真空胶带密封；
步骤六：预压实及真空度检查，将树脂管入口关闭，打开真空管，抽真空后，关闭真空泵，保持10min，对真空袋进行检查，真空度稳定，即表示密封良好；
步骤七：树脂注入，关闭真空泵，打开树脂入口，树脂在大气压作用下进入织物内，直到树脂进入真空塑料管时关闭树脂入口；
步骤八：固化，将复合材料放在70℃烘箱中固化4h。
本发明的有益效果是：本发明将三维织物预制件与基体树脂相结合，三维织物预制件作为增强相，树脂是连接增强相的基体，在复合材料收到外力作用时，树脂能在纤维结构间的良好连接，将外力迅速分散，能有效防止子弹、弹片的穿透，对人体或装甲车车辆具有良好的防弹性能，此外，三维织物增强复合材料相比于金属或ud板，除了具有良好防弹性能，还具有质量轻，装甲车负荷小的特点，平均面密度为8~20kg/m2，本发明的轻质复合材料还可用于防弹头盔、汽车箱体、盖板、户外运动板材等对抵抗外力性能要求较高的领域，本发明在二维织物的基础上，沿织物厚度方向引入捆绑纱加强了三维织物的层间联系，预制件整体性提高，显著提高了织物的层间剪切强度和抗冲击性能，从而极大的提高了材料的抗损伤容限。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本实施例提供了一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料，包括有碳纤维、芳纶、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或几种与超高分子量聚乙烯纤维共同编织，形成符合三维织物预制件，然后再与树脂结合固化后得到轻质增强复合材料，还包括固化剂和促进剂。
一种超高分子量聚乙烯三维织物增强轻质复合材料的制备方法，选用深交联结构，编织好后进行复合材料加，制备方法包括以下步骤：
步骤一：原料称重，将边缘修整好的三维织物预制件准确的称量质量，并记录，然后称取三维织物预制件重量3.5倍的树脂，以及占树脂质量分数1.5%的过氧化甲乙酮，1%的异辛酸钴；
步骤二：清洗，将模具用丙酮或者洁模剂擦洗干净，表面均匀涂覆一层脱模剂；
步骤三：辅料剪裁，根据三维织物预制件尺寸将脱模布、真空袋、导流网、灌注螺旋管进行剪裁；
步骤四：三维织物预制件铺设，擦洗好的模具按照其尺寸铺上脱模布，适当固定后，然后将三维织物铺在脱模布的上面，并按照模具的形状、尺寸与模具充分贴合；
步骤五：树脂调配，称量一定质量的树脂，并按照1~1.5%的质量百分数称取固化剂，将固化剂在树脂中搅拌均匀，真空脱泡10min，充分排出树脂中的空气；
步骤六：工艺组装，织物铺放完毕后，保持平整，预留织物边缘，沿着空间边缘粘贴真空胶带，然后依次铺设脱模布，导流网，真空袋，将真空袋用真空胶粘牢，将三通与螺旋管沿着织布宽度或者长度方向中心铺设，嫁接在导流网上方，三通对面中心放置底座，底座上通真空管，然后接真空泵，三通另一端是塑料管，传递树脂，为防止漏气，将所有塑料管端口用真空胶带密封；
步骤七：预压实及真空度检查，将树脂管入口关闭，打开真空管，抽真空后，关闭真空泵，保持10min，对真空袋进行检查，真空度稳定，即表示密封良好；
步骤八：树脂注入，关闭真空泵，打开树脂入口，树脂在大气压作用下进入织物内，直到树脂进入真空塑料管时关闭树脂入口；
步骤九：中低温固化，在60~80℃的烘箱中进行固化，优化70~80℃，固化4~8h。
本发明将三维织物预制件与基体树脂相结合，三维织物预制件作为增强相，树脂是连接增强相的基体，在复合材料收到外力作用时，树脂能在纤维结构间的良好连接，将外力迅速分散，能有效防止子弹、弹片的穿透，对人体或装甲车车辆具有良好的防弹性能，此外，三维织物增强复合材料相比于金属或ud板，除了具有良好防弹性能，还具有质量轻，装甲车负荷小的特点，平均面密度为8~20kg/m2，本发明的轻质复合材料还可用于防弹头盔、汽车箱体、盖板、户外运动板材等对抵抗外力性能要求较高的领域，本发明在二维织物的基础上，沿织物厚度方向引入捆绑纱加强了三维织物的层间联系，预制件整体性提高，显著提高了织物的层间剪切强度和抗冲击性能，从而极大的提高了材料的抗损伤容限。