纖維增強(qiáng)防彈復(fù)合材料及應(yīng)用

張忠峰 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

引言

傳統(tǒng)的防彈材料以金屬和陶瓷為主，這類防彈板材的使用壽命長(zhǎng)，但存在著一些缺點(diǎn)，例如質(zhì)量比較重等。新型防彈塑料作為高強(qiáng)度材料，它可用來制作防彈玻璃和防彈服，質(zhì)量只有傳統(tǒng)材料的1/5至1/7[1]。這是一種經(jīng)過特殊加工的塑料材料，與正常結(jié)構(gòu)的塑料相比，具有超強(qiáng)的防彈性。

傳統(tǒng)的防彈材料在被子彈擊中后會(huì)出現(xiàn)受損變形，無法繼續(xù)使用，但這種新型材料受到子彈沖擊后，雖然暫時(shí)也會(huì)變形，但很快就會(huì)恢復(fù)原狀并可繼續(xù)使用[2，3]。

新型防彈塑料為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer-FRP），不僅能防止彈頭得侵徹，而且能吸收子彈得沖擊能量，避免沖擊能量造成得傷害。

1. 防彈材料的防彈標(biāo)準(zhǔn)

新型防彈材料的防彈標(biāo)準(zhǔn)沿用的舊防彈材料的標(biāo)準(zhǔn)，大體上按防彈性能將防彈材料分為A和B兩個(gè)類別。根據(jù)GA165-2016，A類為彈頭或彈片未穿透防彈材料，防彈材料背面有飛濺物，但沒有穿透測(cè)試卡。B類為彈頭或彈片未穿透防彈材料，防彈材料背面無飛濺物[4]。

具體的防彈等級(jí)按槍彈類型、彈頭標(biāo)稱質(zhì)量（g）、槍彈初速（m/s）、彈頭結(jié)構(gòu)、彈頭直徑×彈頭長(zhǎng)度（mm）、適用槍型分為六個(gè)等級(jí)以及特殊槍械對(duì)應(yīng)的特殊等級(jí)[5]，在此不做贅述。

2. 纖維復(fù)合材料的防彈機(jī)理

最早的防彈材料多使用陶瓷、金屬等材料，當(dāng)子彈打到防彈材料上時(shí)，將彈體或彈片碎裂后形成的破片予以彈開[5]，但是彈頭產(chǎn)生的巨大動(dòng)能無法消減，對(duì)被防護(hù)對(duì)象仍會(huì)造成一定的沖擊。新型有機(jī)防彈塑料以纖維為主，在受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)吸收大部分的沖擊能量。以下是吸收能量的原理。

新型防彈復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時(shí)，主要通過材料受剪切破壞與分層、纖維的拉伸斷裂與變形以及彈體與靶板材料的高速摩擦等吸收能量。材料的局部變形和纖維斷裂是主要的吸能方式，而分層不會(huì)吸收更多的能量。靶板的分層主要由纖維編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及界面粘接強(qiáng)度所決定，纖維的斷裂取決于纖維的抗拉強(qiáng)度和抗剪切能力，而基體的破壞主要是由基體的力學(xué)性能決定。受力如圖1所示。

圖1 橫向沖擊下兩種變形波的傳遞[6]

彈丸侵徹靶板材料是個(gè)復(fù)雜的過程，當(dāng)彈丸作用于靶板材料時(shí)，在子彈高速的壓縮應(yīng)力作用下，著彈面主要受到剪切作用，在靶板厚度方向上，剪切產(chǎn)生大量的顆粒，消耗了彈丸的部分能量，此時(shí)彈孔較整齊規(guī)整，基本呈現(xiàn)圓形。隨著子彈進(jìn)一步侵入，靶板產(chǎn)生變形，由于不同層的應(yīng)力波的頻率和強(qiáng)度會(huì)有所不同，導(dǎo)致層間產(chǎn)生剪切作用，緊隨著材料發(fā)生分層，這一過程能量損耗，該現(xiàn)象在彈丸速度接近彈道極限前較為明顯，此時(shí)孔內(nèi)出現(xiàn)纖維斷頭。最后，當(dāng)子彈穿透復(fù)合材料后，材料背部產(chǎn)生凸起，并且纖維出現(xiàn)原纖化，彈孔不規(guī)則，有大量的纖維拔出，此部分纖維主要受拉伸斷裂破壞，彈丸的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為纖維的斷裂能[6]。

3. 防彈塑料片材的發(fā)展

玻璃纖維、碳纖維、芳綸、聚對(duì)亞苯基苯并雙嗯唑（PBO）纖維和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維等是廣泛使用的高性能纖維，這些纖維與一種或多種樹脂基體復(fù)合可以制成性能很好的防彈產(chǎn)品[7]。

碳纖維一般不用于防彈復(fù)合材料研究，玻璃纖維性價(jià)比高，是最早用于防彈復(fù)合材料得纖維，PBO纖維和UHMWPE纖維是新興起用于防彈復(fù)合材料得纖維。表1是幾種纖維得簡(jiǎn)單對(duì)比，目前芳綸纖維應(yīng)用比較多，PBO纖維和UHMWPE纖維還處于研究階段。

樹脂基體主要起黏結(jié)作用，可分為熱固性和熱塑性樹脂兩大類。目前，基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)合材料的樹脂基體仍以熱固性樹脂為主。表2是三種熱固性樹脂的簡(jiǎn)單比較，應(yīng)用比較多的是環(huán)氧樹脂，因?yàn)槠淇杉庸ば詮?qiáng)[8]。

3.1 玻璃纖維復(fù)合材料

玻纖增強(qiáng)塑料由于質(zhì)輕、成本低、原材料來源豐富，因而率先獲得了實(shí)際應(yīng)用[9]。美國Dayton研究中心和Marien公司在Mll3裝甲運(yùn)兵車上進(jìn)行一種摻混技術(shù)的研究，已研制一種輕型復(fù)合裝甲車體并進(jìn)行了試驗(yàn)，其目的是證明玻纖增強(qiáng)塑料裝甲的可行性，由MartinMarietta ltsmvre航天公司制造的車體，采用E-玻纖粗編布制造的層壓板[10，11]。

3.2 芳綸纖維復(fù)合材料

受困于國際社會(huì)對(duì)我國的技術(shù)封鎖我國芳綸纖維的生產(chǎn)和商業(yè)化都起步較晚。目前芳綸纖維的生產(chǎn)主要集中在美國、日本及歐洲。我國于上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行研究積累工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，逐步建立起了生產(chǎn)線。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建材、電子電器、防彈制品、交通、軍事、航空等領(lǐng)域[12]。

對(duì)于防彈用芳綸材料，美國及歐洲應(yīng)用的主要是芳綸Ⅱ（如kevlar、Twaron），而俄羅斯應(yīng)用的是芳綸Ⅲ系列（Armos、Rusar），其綜合性能遠(yuǎn)超芳綸Ⅱ，在芳香族聚酰胺系列中排名第一，而且不存在UHMWPE纖維的耐熱性差與易蠕變等問題，用芳綸Ⅲ制造的防彈裝備更輕、更薄。同時(shí)，芳綸Ⅲ作為非常重要的戰(zhàn)略物資，在國防、航空航天領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，目前只有俄羅斯和中國能工業(yè)化生產(chǎn)。

表1 幾種纖維的比較

表2 三種熱固性樹脂的比較

目前國產(chǎn)芳綸Ⅲ正通過改進(jìn)工藝流程，采取節(jié)能、降耗，減排等措施提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本并擴(kuò)大產(chǎn)能，使芳綸Ⅲ成為高性價(jià)比的防護(hù)材料，能夠在防彈領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，這也將大力提升我國防護(hù)裝備的水平。已成功研制出防彈衣、防彈頭盔、防彈裝甲等[13]。

3.3 PBO纖維復(fù)合材料

PBO纖維具有較高的耐熱性能，就是因?yàn)槔w維在高溫、高壓和惡劣化學(xué)環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性。但纖維不易與樹脂浸潤(rùn)，且纖維與樹脂基體結(jié)合的界面性能差，其主要原因是PBO高分子的取向結(jié)構(gòu)有序及纖維表面光滑，纖維內(nèi)部絕大多數(shù)是極性雜原子，由于這些原子特性在纖維的綜合性能上影響較大，使得PBO纖維在某些領(lǐng)域如先進(jìn)復(fù)合材料中的應(yīng)用前景受到較大影響[14]。

為改善PBO纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)性能，對(duì)其表面采用相關(guān)方法進(jìn)行處理，化學(xué)處理、輻射、等離子體處理和電暈處理等的研究比較多。

PBO纖維綜合性能十分優(yōu)異，主要產(chǎn)品有長(zhǎng)絲、短纖維、短切纖維和紗線。PBO纖維長(zhǎng)絲作為補(bǔ)強(qiáng)增強(qiáng)材料用于塑料、彈道導(dǎo)彈、混泥土、橋梁斜拉繩索、航空器機(jī)身材料中；PBO纖維的短纖維和漿粕可以作為摩擦材料、密封墊、塑料、樹脂等的補(bǔ)強(qiáng)增強(qiáng)材料；PBO短纖維織品可制作耐熱緩沖墊、過濾袋、熱防護(hù)皮帶等；PBO纖維紗線可制作消防服、工作服、賽車服等各種防護(hù)服[15]。

3.4 超高聚乙烯纖維復(fù)合材料

UHMWPE纖維強(qiáng)度和模量較高，僅次于碳纖維；斷裂伸長(zhǎng)率比碳纖維、對(duì)位芳綸高，柔韌性好；在高應(yīng)變率和低溫下仍具有良好的力學(xué)性能；抗沖擊能力優(yōu)于碳纖維、芳綸及一般玻璃纖維，是一種理想的防彈、防刺安全防護(hù)材料；其復(fù)合材料的比沖擊總吸收能量是碳纖維的1.8倍、芳綸的2.6倍、E-玻璃纖維的3.0倍；其復(fù)合材料的防彈能力是芳綸裝甲結(jié)構(gòu)的3.6倍，防彈頭盔是相同效果的UHMWPE 纖維頭盔質(zhì)量的2/3[16]。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維的編織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的防彈性能具有重要影響，不同編織結(jié)構(gòu)混雜可以得到防彈性能更優(yōu)異的復(fù)合材料板。梁子青等采用UHMWPE纖維正交鋪層、平紋、斜紋和緯編雙軸向織物結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)體，以低密度聚乙烯為基體，制備出防彈復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，正交鋪層結(jié)構(gòu)為最佳，其中，二維機(jī)織物結(jié)構(gòu)不足之處是彎曲的紗線會(huì)使紗線本身存在一定的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致紗線在受到破片沖擊時(shí)抗剪切能力下降[17]。李勇等對(duì)經(jīng)編雙軸向織物以及梁子青等對(duì)緯編雙軸向織物的抗沖擊性能研究表明，相對(duì)普通機(jī)織布，雙軸向織物載荷響應(yīng)更快[18]。高恒等以無緯布和二維織物為增強(qiáng)相，制備復(fù)合靶板材料，防彈性能測(cè)試表明，二維織物結(jié)構(gòu)與單向鋪層結(jié)構(gòu)混雜使用時(shí)其防彈性能要優(yōu)于單獨(dú)使用一種編織結(jié)構(gòu)的，且混雜結(jié)構(gòu)的使用更能抵御子彈侵徹和抵抗多發(fā)彈的打擊。肖露和柴曉明等研究了層間混雜對(duì)防彈性能的影響，結(jié)果表明，相對(duì)單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，層間混雜結(jié)構(gòu)明顯提升了復(fù)合材料的防彈性能，充分發(fā)揮了厚度方向上不同纖維的作用[19]。

UHMWPE纖維作為新興起的防彈纖維，必然存在一些方面的不足，比如熔點(diǎn)低等。只有進(jìn)一步改善UHMWPE纖維性能，才能使其應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

4. 防彈復(fù)合材料的應(yīng)用

防彈材料的研發(fā)和生產(chǎn)體現(xiàn)了國家的軍事實(shí)力，是維護(hù)國民安全的重要保證。現(xiàn)代防彈材料的發(fā)展日新月異，已逐漸從單純的防御性能向功能性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性并存方向發(fā)展[20]。

纖維防彈復(fù)合材料可以應(yīng)用到生產(chǎn)生活中的多方面。

例如，在體育用品中，可以制作成為安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、球拍及自行車、滑翔板、超輕量飛機(jī)零部件等。在船體建材中可以采用新型優(yōu)良的高性能纖維防彈復(fù)合材料代替高強(qiáng)度鋼、高屈服強(qiáng)度鋼的抗沖擊材料。在航天工程中，由于纖維復(fù)合材料比重小和抗沖擊性能好，適用于各種飛機(jī)的翼尖結(jié)構(gòu)、飛船結(jié)構(gòu)和浮標(biāo)飛機(jī)等。也能用來作為航天飛機(jī)著陸的減速降落傘和飛機(jī)上懸吊重物的繩索。在醫(yī)學(xué)方面，可以用于醫(yī)用手套和其他醫(yī)療措施等方面。

5. 發(fā)展趨勢(shì)

纖維復(fù)合材料在船體及航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但將該纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用到多功能、高速度等大型載體上時(shí)仍存在很多缺陷。

因此，分析纖維性能、基體性能、界面性能以及纖維的編織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的防彈性能的影響，對(duì)提升纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能以及對(duì)艦船的發(fā)展都具有重要意義。UHMWPE纖維因其優(yōu)良的性能，使其目前在纖維復(fù)合材料研究中有很高的分量。