基于SiC/CFs/EP复合材料的警用装备材料性能优化与多维评价研究

《IEEE Access》：Performance Analysis of Police Equipment Materials Based on SiC/CFs/EP Composite Materials

　　本文针对现有SiC/CFs/EP复合材料在警用装备应用中缺乏系统性性能评价的问题，通过设计梯度分布SiC颗粒与0°/90°交错碳纤维的复合增强方案，采用真空辅助树脂灌注成型工艺制备样品，系统测试其力学、热学、耐磨及抗冲击性能。结果表明，20 wt.% SiC含量的优化方案（C-20%）使拉伸强度提升12.60%，弯曲强度提高29.00%，摩擦系数降低33.33%，防暴头盔使用寿命延长59.52%，为高性能警用轻量化防护材料设计提供了定量依据。

　　

在现代执法环境日益复杂的背景下，警用装备对材料的轻量化、高强度、耐磨损和抗冲击性能提出了更高要求。传统金属材料虽强度优异但重量大，聚合物材料轻便却难以承受高强度冲击。碳纤维（Carbon Fibers, CFs）增强环氧树脂（Epoxy Resin, EP）复合材料因其高比强度、可设计性强等优势成为研究热点，然而单一增强相难以兼顾多维性能需求。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）颗粒作为硬质增强相，能有效提升材料的硬度与耐磨性，但其在复合材料中的分布形式、含量与纤维协同机制尚不明确，限制了其在警用装备中的规模化应用。

为解决上述问题，山西警察学院警察指挥战术系葛俊强副教授团队在《IEEE Access》发表了题为“Performance Analysis of Police Equipment Materials Based on SiC/CFs/EP Composite Materials”的研究论文。该研究通过设计三种增强方案（A：单层碳纤维+SiC；B：0°/90°交错碳纤维+SiC；C：梯度SiC含量0-20 wt.%），采用真空辅助树脂灌注成型（Vacuum Assisted Resin Infusion Molding, VARIM）工艺制备复合材料，系统评价了其力学性能、热稳定性、耐磨性及抗冲击性，并以防暴头盔为应用场景验证了其服役寿命提升效果。

主要技术方法

研究通过VARIM工艺制备复合材料，重点控制SiC颗粒的梯度分布（表面高含量、核心低含量）和碳纤维的0°/90°交错铺层。采用ASTM标准测试力学性能（拉伸、弯曲、压缩）、热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）、磨损试验和冲击试验，并结合Archimedes法计算材料密度与孔隙率。

研究结果

1. 1.
   力学性能对比分析
   • •
     拉伸性能：方案C-20%的拉伸强度（561.39 MPa）和弹性模量（68.02 GPa）较基准方案A分别提升12.60%和12.84%，纤维0°方向铺设的增强效果优于90°方向。
   • •
     弯曲与压缩性能：C-20%的弯曲强度提升29.00%，压缩强度提高31.40%，SiC梯度分布与纤维交错铺层协同抑制了裂纹扩展。
     
2. 2.
   热性能与环境稳定性
   • •
     TGA曲线显示C-20%在高温区残碳率最高（29.47%），热分解起始温度达366.19°C。
   • •
     DSC测试表明C-20%的玻璃化转变温度（T_g）为152.30°C，较方案A提升21.45%，SiC颗粒与碳纤维共同提升了材料的热屏障效应。
     
3. 3.
   耐磨性与抗冲击性
   • •
     磨损测试中，C-20%的摩擦系数降低33.33%，磨损率下降45.24%，磨损痕深度（14.68 μm）较方案A减少42.15%。
   • •
     冲击强度达22.80 kJ/m²，较方案A提升60.56%，裂纹扩展长度缩短45.47%。
     

结论与讨论

研究通过多维性能评价体系，明确了20 wt.% SiC含量与0°/90°碳纤维铺层的协同优化策略。该方案在防暴头盔应用中使服役寿命提升59.52%，验证了其在高防护警用装备中的潜力。SiC颗粒的梯度分布不仅增强了界面结合强度，还通过裂纹偏转和能量耗散机制提升了抗冲击性。未来研究可进一步优化界面改性工艺，探索纳米填料（如石墨烯）的多尺度增强效应，并推动材料在智能防护装备中的集成应用。