艾青松,李宗家,吳中偉,姜聯(lián)東,虎龍
(1.北京航天雷特機電工程有限公司,北京7205信箱1分箱,北京 100074 2.北京航天試驗技術(shù)研究所,北京7205信箱,北京 100074)
芳綸全稱為“聚對苯二甲酰對苯二胺”,英文名稱為Aramid fiber,與碳纖維、高分子量聚乙烯纖維并稱為三大特種纖維[1]。芳綸的發(fā)展,極大地促進了防彈材料的發(fā)展[2]。
目前,國際認可度較高的防彈標準為美國司法部的NIJ 0101.06防彈衣標準。在該標準中,客戶需求最多的是NIJ 0101.06中的ⅢA級別的防彈衣。該防護級別的防護要求:防御9 mm全金屬披甲圓頭彈,彈重8.0 g,沖擊速度為(448±9.1)m/s;可防御44馬格南半披甲中空尖頭彈,彈重15.6 g,沖擊彈速為(436±9.1)m/s。兩者凹陷均要求小于44 mm。全金屬披甲彈是指除彈基座之外,其他部分由銅合金(大約90%銅,10%鋅)包圍的鉛芯組成。半披甲中空尖頭彈由鉛芯等組成,鉛芯在子彈的前端有一個中空孔洞;除中空尖頭外,子彈完全被銅合金包覆。
本文通過織造芳綸無緯布并與不同型號的芳綸機織布[3]進行組合,通過實彈測試[4]和柔軟度測試,以研究在滿足NIJ ⅢA測試標準的前提下,提升防彈衣的穿著舒適性。
制備芳綸防彈板的原材料見表1。
表1 試驗用原材料
芳綸無緯布由片狀無緯布生產(chǎn)設(shè)備,即輥筒機織造而成。其生產(chǎn)工藝為特種膠粘劑放置于上膠裝置中,芳綸經(jīng)過上膠裝置纏繞在旋轉(zhuǎn)的輥筒上,絲杠平行于輥筒勻速移動,將纖維均勻排布在輥筒上,再經(jīng)過展絲裝置將絲展開,熱風(fēng)裝置進行干燥,即可得到單層無緯布。將單層無緯布沿輥筒母線切下,旋轉(zhuǎn)90°再貼在輥筒上,重復(fù)以上步驟即可得到最終的芳綸無緯布。最終生產(chǎn)的芳綸無緯布面密度為210 g/m2。
自制的柔軟度測試裝置如圖1所示,斜面與地面夾角為45 °。測試時,防彈靶片放在平面上勻速向外推,觀察防彈靶片能否與斜面貼合。
圖1 柔軟度測試裝置圖
實彈測試中,部分靶片按照公安部標準《GA 141—2010警用防彈衣》中三級標準進行測試[6],即51式7.62 mm手槍彈(鉛芯),彈速為(515±10)m/s,射距為5 m。
部分靶片按照美國司法部的NIJ 0101.06防彈衣標準中的ⅢA級別進行測試。
日人帝人公司提供的芳綸機織布有四種,具體參數(shù)見表2。
CT709為200 g/m2的防彈織物,可生產(chǎn)無縫防彈服裝,防彈保護性高,穿著舒適,活動自如。CT714為190 g/m2的防彈織物,基于超細芳綸的防彈織物,有卓越的破片防護,能夠很好地防護特定類型的子彈。CT716為280 g/m2的防彈織物,基于高強度紗的防彈織物,可有效抵御鈍物傷害。CT736為410 g/m2的防彈織物,具有良好的加工性能,可用于生產(chǎn)現(xiàn)代工藝的防彈頭盔。
表2 芳綸機織布種類
因CT716與CT736面密度過高,相同層數(shù)下會影響整體的靶片面密度,而CT709與CT714面密度均與車間生產(chǎn)的無緯布及雙防布面密度相同。因此,優(yōu)選CT709與CT714作為組合靶片結(jié)構(gòu)的機織布。其對比測試結(jié)果見表3。
表3 CT709與CT714組合靶片測試對比表(79微沖)
由表3可知,5層(CT714)+30層芳綸無緯布測試數(shù)據(jù)平均穿透層數(shù)為15.2層,平均凹陷為19.6 mm;而同樣的結(jié)構(gòu),機織布由CT714換成CT709后,平均穿透層數(shù)變?yōu)?5.5層,基本未發(fā)生變化,而平均凹陷由19.6 mm降為16.6 mm。這說明在控制凹陷方面,CT709相對CT714優(yōu)勢較大。
將芳綸機織布放置不同位置組合的靶片,測試結(jié)果見表4。
表4 機織布不同位置測試數(shù)據(jù)(79微沖)
由表4可知,機織布放在中間的平均穿透層數(shù)15.8層和平均凹陷17.5 mm均大于機織布放在前面的數(shù)據(jù)。因此,在拼合結(jié)構(gòu)中采用機織布放在前面的方案。
通過上述討論,確定了最優(yōu)的機織布CT709放在靶片最前面的組合方案。接下來根據(jù)不同測試方案數(shù)據(jù)(表5),對最終的實驗方案進行確定。
表5 不同測試方案數(shù)據(jù)(NIJ ⅢA)
圖2 檢測報告
由表5可知,靶片結(jié)構(gòu)為4層CT709+21層芳綸無緯布時,進行9 mm的防彈測試時,平均穿透層數(shù)為6.5層,平均凹陷為18.72 mm,安全裕度較高。在進行.44項目的測試時,最大凹陷僅為34.5 mm,控制在40 mm之內(nèi),平均凹陷為28.01 mm。究其原因,在于雖然靶片在防彈時作為一個整體共同防護,但在子彈接觸靶片的瞬間,靶片的前、后部分受到的沖擊是不同的[7]。因此靶片應(yīng)該設(shè)計成梯度結(jié)構(gòu),即靶片最先接觸到子彈的前半部分相對于后半部分應(yīng)該容易變形一些,而靶片的后半部分應(yīng)該難變形一些。最終的靶片結(jié)構(gòu)正好設(shè)計的是梯度結(jié)構(gòu),即前半部分的形變要易于后半部分,最終靶片整體產(chǎn)生了“共形變”,最終控制住了凹陷[8]。圖2為在兵器工業(yè)非金屬材料理化檢測中心取得的檢測報告。
對靶片進行如圖3所示的柔軟度測試。防彈靶片在測試過程中,沿著平板往外推至2/3處,若能貼合至下斜面上,則表明滿足柔軟度的要求。
圖3 柔軟度測試圖
(1)采用不同芳綸機織布組合無緯布實彈打靶測試結(jié)果表明,在控制凹陷方面,CT709相對CT714優(yōu)勢較大。
(2)通過芳綸機織布放置在不同位置進行實彈打靶測試結(jié)果表明,芳綸機織布放置在最前面,防彈效果優(yōu)于放置在中間的方案。
(3)最終確定了4層CT709+21層防彈芳綸無緯布的防彈結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)能抵御NIJ0101.06中ⅢA級別子彈的沖擊,且能通過柔軟度測試,面密度僅為5.2 kg/m2。