[发明专利]刚性结构和低背衬凹陷深度的防弹UD/制品和制造方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月6日提交的共同待审的美国临时申请序号No. 61/531,323的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。

发明背景。

发明领域

本发明涉及具有提高的动态储能模量、同时保持优异的防弹性质的防弹纤维复合材料。提高的动态储能模量与低复合材料背衬凹陷深度（ backface signature）相关联。

相关技术描述

由包含高强度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。防弹背心、头盔、车身板和军事装备的结构件之类的制品通常由包含高强度纤维，如SPECTRA®聚乙烯纤维或Kevlar®芳族聚酰胺纤维的织物制成。对许多用途，如背心或背心部件而言，可以在机织或针织物中使用纤维。对其它用途而言，可以将纤维包封或嵌在聚合基质材料中并成形成非织造织物。例如，美国专利4,403,012、4,457,985、4,613,535、4,623,574、4,650,710、4,737,402、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492、6,846,758（所有这些都经此引用并入本文）描述了包括由材料如伸展链超高分子量聚乙烯（“UHMW PE”）制成的高强度纤维的防弹复合材料。由这样的高强度合成纤维制成的防弹复合材料表现出不同程度的抗来自如子弹、弹壳、榴霰弹之类射弹的高速冲击穿透性以及不同程度的由相同射弹冲击造成的背衬凹陷深度。

每种类型的高强度纤维已知具有自己的独特特征和性质。就此而言，纤维的一个定义性特征是纤维与表面涂料，如树脂涂料粘合或粘着的能力。例如，超高分子量聚乙烯纤维相对惰性，而芳族聚酰胺纤维具有含有极性官能团的高能表面。相应地，树脂通常对芳族聚酰胺纤维表现出比对惰性UHMW PE纤维强的亲合力。但是，合成纤维也通常已知自然倾向于静电积聚并因此通常要求施加纤维表面整理剂以利于进一步加工成可用的复合材料。纤维整理剂用于降低静电积聚，在无捻或非缠结纤维的情况中，有助于保持纤维内聚力。整理剂还润滑纤维表面，保护纤维免受设备破坏和保护设备免受纤维破坏。本领域教导了用于各种工业的许多类型的纤维表面整理剂。参见例如美国专利5,275,625、5,443,896、5,478,648、5,520,705、5,674,615、6,365,065、6,426,142、6,712,988、6,770,231、6,908,579和7,021,349，它们教导了用于纺成纤维的纺丝整理剂组合物。

但是，典型的纤维表面整理剂不是普遍合意的。一个重要原因是因为纤维表面整理剂会干扰聚合粘合剂材料在纤维表面，包括芳族聚酰胺纤维表面上的界面粘结或粘合。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物，尤其是非织造复合材料，如Honeywell International Inc. of Morristown, NJ生产的非织造SPECTRA SHIELD®复合材料的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的粘合不足可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。在尝试将保护性聚合组合物施加到机织物上时也认识到类似的粘合问题。这有害地影响此类复合材料的防弹性质（防弹性能）并造成灾难性的产品失效。

复合材料装甲的防弹性能可以以不同的方式表征。一个常见特征是V₅₀速度。对于面密度（即复合板的重量除以表面积）相等的复合材料，V₅₀越高，该复合材料的抗穿透性越好。但是，即使防弹装甲足以防止射弹穿透，但射弹在装甲上的冲击也会造成显著的非穿透性钝伤（“创伤”）。相应地，防弹性能的另一重要量度是装甲背衬凹陷深度。背衬凹陷深度（“BFS”）——在本领域中也被称作背衬变形（backface deformation）或trauma signature，衡量由子弹冲击造成的防弹衣变形深度。当子弹被复合材料装甲挡住时，可能造成的钝伤有可能像子弹穿透装甲并进入身体时那样对个体是致命的。这尤其在头盔装甲领域中发生，其中由挡住的子弹造成的瞬时凸出仍穿过佩戴者颅骨的平面并造成使人衰弱或致命的脑损伤。