纖維-聚合物復合防彈材料的能量耗散機制及其調(diào)控技術研究進展

周成飛

（北京市射線應用研究中心，北京市科學技術研究院 輻射新材料重點實驗室，北京100015）

0 前言

纖維-聚合物復合防彈材料是采用纖維織物或混雜纖維織物，在一定的工藝條件下與聚合物基體復合而制得的具有一定防彈性能的材料。因其具有質(zhì)量輕、動能吸收性好且無“二次殺傷效應”等特點，作為一種具有良好防彈性能的輕質(zhì)材料而得到越來越廣泛的研究和應用［1-6］。

研究表明：復合材料的防彈性能與其能量耗散機制密切相關。彈體的侵徹和貫穿過程實際上就是復合材料靶板阻擋彈體運動，并耗散其能量的過程。對于不同形狀材質(zhì)的彈體、不同的彈速、不同的復合材料靶板結(jié)構和不同的界面黏結(jié)狀態(tài)，能量耗散機制也不盡相同［7-8］。本文就纖維-聚合物復合防彈材料的能量耗散機制及其調(diào)控技術的研究進展作一評述。

1 彈體沖擊作用下的能量耗散機制

1.1 彈體與纖維復合材料的作用機制

對纖維復合材料的抗彈機制研究主要從復合材料的沖擊響應、破壞機制和能量吸收等方面進行的。首先，從應力波的傳播機制來看，纖維復合材料在彈道沖擊中，彈體與復合材料靶板接觸的瞬間產(chǎn)生的應力波以兩個方向傳播：一是以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播。受到?jīng)_擊的纖維通過基體聚合物及交錯點的相互作用，應力波在很多纖維上擴散開來。二是應力波沿靶板縱向傳播。應力波在靶板的織物和基體界面及靶板自由面之間產(chǎn)生連續(xù)反射，使壓力變成拉應力［9-10］。纖維復合材料沖擊波的傳播形式，如圖1所示。

圖1 纖維復合材料沖擊波的傳播形式

其次，從高速沖擊下纖維復合材料的吸能方式及破壞模式來看，防彈復合材料吸能方式主要包括纖維的變形、纖維的拉伸斷裂、分層、基體開裂、材料的剪切破壞、彈體與復合材料的摩擦和“背凸”的形成等。吸能較多的為材料的分層、纖維的拉伸斷裂及基體開裂，其他方式則相對較少［11-12］。在防彈過程中，復合材料的破壞模式有多種，主要有纖維剪切和拉伸破壞、層合板的分層等。Gower等［13］對Kevlar-29、Kevlar-129復合材料層壓板的沖擊響應進行了深入研究，分析了采用尖頭彈和鈍頭彈對復合材料的不同的破壞機制。另外，Naik等［14］通過沖擊波理論分析了纖維增強樹脂基復合材料的抗彈機制，認為在彈丸沖擊過程中纖維的破壞和能量的吸收是不同的，纖維增強復合材料背面的纖維織物為圓錐形的破壞方式，在侵徹過程中最前面的部分是剪切張力破壞，然后依次是變形破壞、基體斷裂和摩擦破壞等，并給出理論的預測公式。通過具體的彈道實驗進行了驗證。

目前一般認為，纖維復合材料的防彈機制是：首先，當彈體沖擊纖維復合材料靶板時產(chǎn)生應力波，沿纖維軸向的傳播，由于受到?jīng)_擊的纖維通過基體聚合物及交錯點的相互作用，應力波在很多纖維上擴散開來，使能量在相當大的面積上被吸收；而沿靶板縱向的傳播會形成拉應力，當拉應力大于纖維與聚合物基體之間的黏結(jié)強度時，導致靶板分層，吸收彈體部分能量。其次，隨著彈體更加深入侵徹，纖維受到拉伸變形，彈體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維的彈性勢能，進一步吸收彈體的能量。當纖維的應變大于其極限應變時，則纖維斷裂。如果彈體仍具有多余的動能，則進一步侵徹下一層，直至彈體動能完全被消耗。若靶板較薄，則被彈體擊穿。

1.2 能量耗散機制的模型理論研究

由上述的討論可知：防彈的實質(zhì)就是防彈材料將彈體的沖擊能量全部吸收，使得這類沖擊物無力繼續(xù)前進而被阻隔，從而達到防護的目的［15］。事實上，早在1985年，Cantwell和Morton就提出了一個預測復合板著彈后吸收能量的簡單模型［16］。復合材料著彈后，按照主要破壞形式的不同，其破壞過程可分為三個連續(xù)的階段，如圖2所示。這一簡單模型對后來的研究發(fā)揮了一定的指導意義，但它忽略了纖維的性質(zhì)區(qū)別、彈擊速度、聚合物基體和復合材料面密度等因素的影響。

圖2 彈體侵徹過程中復合材料的三個破壞階段

梅志遠等［17］把靶板材料分為剛性材料，如碳纖維、玻璃纖維等和韌性材料，如芳綸纖維、高強聚乙烯纖維等。剛性靶板，分層是能量吸收的主要方式；柔性靶板，纖維斷裂和基體開裂是主要的損傷形式，也是能量吸收的主要方式。因此，有很多學者提出一種混雜纖維復合材料的思路，來提高復合材料的彈道沖擊性能，如圖3所示。

Jacobs等［18］在比較無緯布與傳統(tǒng)的平紋機織物或者針織物時認為：在高速侵徹過程中，一部分沖擊能量將以波的形式傳播和耗散，而無緯布的結(jié)構消除了沖擊波在纖維交叉點的反射，增加了彈道沖擊響應面積，有利于能量的擴散，從而提高了抗彈能力。而傳統(tǒng)的平紋機織物或者針織物都有很多的交叉點，這些交叉點不利于應力波的傳播，交叉點處會反射部分的應力波，從而對局部產(chǎn)生應力集中，使得局部產(chǎn)生破壞，影響了防彈性能。圖4為無緯布材料結(jié)構的示意圖。

圖3 三維正交混雜結(jié)構示意圖

圖4 無緯布材料結(jié)構示意圖

在纖維-聚合物復合防彈材料的彈道沖擊過程研究中，由于計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬計算方法已經(jīng)獲得很好應用。實際上，在進行復合材料彈道沖擊過程的精確模擬計算時，通過分析模型及其基本力學方程的建立，有效地反映材料的動態(tài)損傷過程。目前主要的數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限體積法和有限單元法等［19-24］。Nandi等［24］利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學（continuum damage mechanics，CDM）本構模型結(jié)合有限元程序LSDY-NA2D，模擬層壓板的彈道沖擊過程。所模擬的損傷包括分層和侵徹等。另外，Barauskas［22］運用LS-DYNA有限元軟件來模擬彈體貫穿多層織物。采用殼單元來簡化織物，殼的厚度就是織物的真實厚度，實驗和模擬上具有很好的一致性，從而證明了模型建立的有效性，也說明了此模型可以精確地模擬彈道貫穿侵徹過程。最近李偉等［25］為研究高強聚乙烯纖維層合板的防彈性能，將力學本構模型簡化為面內(nèi)“各向同性”模型和層間“節(jié)點力”模型，利用大型有限元軟件Abagus 6.9實現(xiàn)全部分析過程，并根據(jù)分析結(jié)果討論了高強聚乙烯纖維層合板的失效模式。研究表明：簡化后的模型能夠較好地模擬高強聚乙烯纖維層合板的抗彈過程。在立方體破片高速侵徹時，靶板表現(xiàn)出明顯的三個階段破壞，彈體發(fā)生鐓粗和侵徹現(xiàn)象，剩余速度和靶板變形的凸包高度與試驗值較為一致。

采用能量法分析的優(yōu)點有助于在材料層次上進行優(yōu)化以提高層合板抗沖擊性能。在彈道沖擊下建立能量損耗模型有不同形式：模型Ⅰ見圖5。

圖5 能量損耗模型 （模型Ⅰ）

模型Ⅰ公式：

式中：EL為彈體耗散吸能；ETF為拉伸失效吸能；EC為材料單位面積拉伸失效吸能；EED為彈性形變吸能；EKE為層合板部分運動的動能吸能；m為彈體質(zhì)量；vS為彈體入射速度；vR為彈體出射速度；v0為彈道極限速度；V為拉伸失效的體積；RC，D為圖5中所示的幾何尺寸；T為微層合板的厚度；M為靶板材料彈性模量；ε為應變；mC，VC分別為彈體出射后運動圓柱體的質(zhì)量和速度；ρ為層合板的體密度。

Morye認為［26］侵徹過程中能量損耗由三部分組成：ETF、EED與EKE。三者相結(jié)合以確定彈道極限速度（v0）。另外，還發(fā)現(xiàn)在以上三種吸能機制中起主導作用的是由于復合材料的部分運動所消耗的動能。這種能量模型建立的理論簡單，應用也十分方便，但模型中一些重要數(shù)據(jù)，如vS，vR，RC及vC都來源于試驗，從而對試驗設備及試驗觀測要求較高。

該模型的理論依據(jù)在于Cunniff［27］對纖維單層板的吸能研究。圖6為應力作用下單層板背部視圖。由圖6可見：當單層板受到?jīng)_擊時，與彈體直接接觸的紗線（主紗線）產(chǎn)生橫向變形和沿纖維軸線傳播的應變波。若定義與主紗線正交的紗線為正交紗線，則正交紗線也將被主紗線拉離原位置。這些正交紗線也會產(chǎn)生變形及應變波。同樣地，這些紗線也會帶動與它相交的紗線，其作用結(jié)果使得正交紗線朝著沖擊點方式彎曲。Roylance［28］還用數(shù)值方法驗證了彈體沖擊的主要能量轉(zhuǎn)化為主纖維的應變及動能，而正交紗線吸能較少。

圖6 應力作用下單層板背部視圖

在彈道沖擊下能量損耗模型，還有模型（Ⅱ）。

模型Ⅱ公式：

式中：Ef為彈體與靶板間摩擦吸能；Eah為局部貫穿吸能；Ed為分層吸能；Epced為預測的總貫穿能；Pf為彈體與靶板間摩擦力；t0為彈桿長度；t為靶板厚度；D為彈體直徑；K0為橫向單位面積剪切斷裂能；Ad為分層面積；KⅡC為分層斷裂韌性。

Mines［29］借助于模型Ⅱ分析了復合材料在沖擊下的有關特性；認為能量分配方式為：Eah、Ed及Ef。在計算動態(tài)沖擊各種能量時作了如下簡化與近似：Ef和Eah使用如圖7所示的靜態(tài)載荷的結(jié)果。在分層吸能方面則首先假設了分層的形式，如圖8所示。認為分層形狀為圓形，沿厚度方向的變化則為圓臺形；在計算總的分層面積時，只需知道上下表面的損傷情況；對局部貫穿只考慮了剪切失效。拉伸失效等影響未加考慮，同時將靜態(tài)的分層臨界韌性值用于動態(tài)的沖擊計算，如圖9所示。這種分析模型所得結(jié)果與實驗結(jié)果不十分吻合，但通過這種簡單的分析可以發(fā)現(xiàn)：對于層合板的貫穿行為需要更準確的失效模型。另外，在進一步研究中，需要將通過基礎材料試驗得到的材料屬性更緊密與結(jié)構的動態(tài)響應聯(lián)系起來。

圖7 典型靜載荷-位移曲線

圖8 層合板分層假設

圖9 沿層合板橫向變化的不同失效形式

2 對能量耗散的調(diào)控技術

2.1 纖維類型和編織方式的選擇

纖維自身的防彈性能可由式（10）簡單表示：

式中：R為防彈性能指標；W為纖維破裂能量吸收值；C為纖維中的聲速，由纖維的模量、密度和排列方式等決定。就單絲而言：

式中：E為纖維的模量，ρ為纖維密度［30］。從能量吸收的角度來看，聚乙烯纖維具有最大的變形能和斷裂能，其次是芳綸纖維，碳纖維最小。另外，在織物的編織結(jié)構方面，無緯片相對于各種結(jié)構形式的織物，其防彈效果更好［31］。

2.2 聚合物基體的優(yōu)化

纖維復合材料受到彈體沖擊作用時，聚合物基體必須與纖維一同伸長、斷裂，才能使復合材料最大限度地吸收彈體的沖擊能量，起到抗彈、減震等作用。防彈復合材料采用的基體主要有熱固性和熱塑性兩種。常用的熱固性樹脂主要包括環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等。這類復合材料的抗彈性能一般，但是結(jié)構性能優(yōu)異；而熱塑性樹脂體系則為熱塑性剛性或柔彈性樹脂體系。典型的柔彈性體系包括各種熱塑性彈性體體系。研究表明：在纖維材料和組織形式相同時，熱塑性樹脂層壓復合靶板比熱固性樹脂層壓復合靶板產(chǎn)生更大的變形，吸收更多的能量。前者的能量吸收能力主要取決于靶板的強度，而后者則主要取決于靶板的剛度和強度［32］。

相同質(zhì)量分數(shù)的聚乙烯纖維／彈性體復合材料的抗彈性能比環(huán)氧樹脂的好，前者的比吸能較環(huán)氧樹脂的高43.8%。由于黏結(jié)強度較差，盡管聚乙烯纖維／環(huán)氧樹脂復合靶板的變形小，但分層嚴重。近年來高性能的熱塑性樹脂不斷被開發(fā)，如熱塑性聚氨酯（TPU）、苯乙烯嵌段共聚物等。與聚乙烯纖維相比，芳綸纖維與聚氨酯的黏結(jié)性能較好，但聚乙烯纖維／聚氨酯防彈復合材料不僅防AK 47子彈的比能量吸收至少達到100J·（kg-1·m-2），而且還對聲波具有一定的阻尼效果，在0.5 MHz下，可使聲強級降低至少20dB／cm。

還有研究指出［33-34］：防彈用纖維復合材料存在一個最佳樹脂的質(zhì)量分數(shù)問題。只有樹脂的質(zhì)量分數(shù)在合適范圍內(nèi)，纖維才可以按照預定的形式排列，在受到彈體沖擊時，基體可發(fā)揮協(xié)同作用，使沖擊能量能夠傳遞給更多的紗線，吸收更多的能量。另外，合適的層間力也能夠充分發(fā)揮纖維的拉伸斷裂能力，非常有利于能量的吸收。

2.3 成型方式的合理選擇

編織布與樹脂的主要成型工藝有：樹脂傳遞模塑法（RTM）、模壓成型、真空熱壓法、擠出成型和手糊成型等，其中模壓成型較為常見。研究表明：傳統(tǒng)的預浸路線與熱壓工藝對復合材料性能有較大的影響。雖然兩種工藝得到的復合材料防彈性能相同，但兩種復合材料的能量吸收機制是不同的。熱壓復合材料吸收能量主要是通過纖維斷裂和背面分層；而傳統(tǒng)預浸工藝制備的復合材料僅僅通過纖維斷裂吸能。

張佐光等［35］研究發(fā)現(xiàn)：成型壓力對纖維復合材料的彈道吸能有很大的影響。為優(yōu)化成型壓力，考察了壓力對UD 75靶板彈道吸能的影響。實驗中固定其它參數(shù)，如面密度、含膠量、成型溫度等都不變，只改變成型壓力（P），實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 成型壓力對靶板彈道吸能的影響

由圖10可知：彈道吸能隨成型壓力出現(xiàn)兩個峰值，一個在2.5MPa左右，另一個在12.5MPa左右，12.5MPa時的吸能大于2.5MPa時的吸能。在成型壓力較小（0.5MPa～2.5MPa）時，層與層之間結(jié)合不夠緊密。壓力越小，分層越嚴重，吸能越?。粔毫υ龃?，吸能增大，到2.5MPa以后，層與層之間結(jié)合較以前的緊密。通過分層作用來消化能量的方式減少，但此時纖維受沖擊時，纖維的協(xié)同效應很差，無法通過層件偶合與其它纖維相互作用，不利于應力波的傳播和沖擊能量的耗散，因而此后吸能降低。當壓力升高到一定程度后，層間比較緊密，纖維間協(xié)同作用越來越強，有利于應力波的傳播和沖擊能量的耗散。壓力升高，吸能增大，到12.5MPa時，吸能達到最大值；此后，隨著壓力的增大，樹脂向?qū)娱g滲透，導致靶板彎曲剛度提高，不利于纖維的拉伸變形，使得參與拉伸斷裂的纖維數(shù)目減少，剪切破壞的纖維增多。由于子彈的動能主要是通過纖維的拉伸斷裂來消耗，因而吸能下降。

2.4 纖維織物混雜技術的應用

防彈纖維織物的組合方式對復合材料防彈性能的影響較大，因此，可以通過選擇合適的纖維混雜組合方式來調(diào)控復合材料的能量耗散機制。由于防彈復合材料在受到彈體侵徹的不同部位上，其破壞方式不同：接近彈著點的部位主要是剪切破壞，而較遠的部分主要是拉伸破壞，故對纖維的性能要求也是不同的。所以在采用纖維混雜組合方式進行調(diào)控時，往往將抗壓能力強的纖維放置在迎彈面，而將拉伸強度高的纖維織物放置在背面，以充分發(fā)揮纖維的性能。

Grujicic等［36-38］采用CF和芳綸的混雜組合制備了混雜纖維復合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CF和芳綸纖維的數(shù)量及堆積效應對其抗彈性能有很大影響。對于一定厚度的CF和芳綸纖維混雜結(jié)構存在最優(yōu)的結(jié)構組合，使其具有最佳的抗彈性能。朱錫等［39］研究了Kevlar纖維和短GF（S-GF）的不同纖維狀態(tài)和混雜方式對復合材料抗彈性能的影響。通過兩組復合靶板的穿甲實測證明Kevlar用作靶板的背面，使其在彎曲變形中只受拉伸、不受壓縮，可以避免其壓縮強度低的特點。在迎彈面采用SGF，可以充分發(fā)揮其壓縮強度高的特點。梅志遠等［40］通過對三種層間混雜層合板結(jié)構的抗彈效率研究，認為在彈道侵徹下層合板結(jié)構橫向纖維層存在吸能變形模式和抗彈機制的差異，即存在厚度效應。由于厚度效應的存在，高速沖擊下混雜結(jié)構具有優(yōu)化設置問題。熊杰等［41］也研究了芳綸混雜高強維綸（PVAL）抗彈復合材料的防彈性能。當PVAL纖維混雜的體積分數(shù)小于20%時，混雜芳綸抗彈復合材料靶板幾乎可以獲得單一芳綸抗彈復合材料靶板相近的防彈能力。

2.5 其他復合結(jié)構技術

橡膠具有良好的黏彈性。將其敷于剛性防彈材料（如陶瓷等）的背面，可起到對彈體侵徹的緩沖作用，吸收大量能量。趙俊山等［42］對陶瓷層／剛性背板層／復合材料層組成的防彈材料進行結(jié)構形式設計，并進行實彈靶試。研究了復合裝甲的材料與結(jié)構形式對防彈性能的影響；指出芳綸復合材料主要是纖維撥脫導致芳綸材料層間分層，形成較大的變形，導致芳綸復合板鼔包。將橡膠引入復合防彈結(jié)構中是其一大創(chuàng)新。其理想的面密度、良好的防彈性能等將推動橡膠材料在防彈結(jié)構中的應用。

另外，氣凝膠等多孔材料由于具有良好的能量吸收特性和能夠有效衰減應力波等特點，已廣泛應用于復合靶板的夾層中［43-44］。結(jié)果表明：當氣凝膠與防彈纖維復合時，強度較低的氣凝膠夾層使防彈面板的變形有了很大的擴展空間，防彈纖維有足夠的向后變形空間“抓住”彈體，吸收彈體動能的能力大幅提高，同時也使得防彈纖維層的穿深減小。氣凝膠和防彈纖維復合的靶板具有較好的抗彈性能，并且可以有效防止彈體的非貫穿性損傷。

此外，采用復合材料夾層結(jié)構作為防護結(jié)構，不僅可以通過層壓板的防爆炸沖擊能力，而且可以起到良好的隔熱保溫和防震作用。李歡秋等［45］設計制備了如圖11所示的復合板，并研究了其防彈特性。

圖11 靶板結(jié)構剖面圖

圖12 子彈速度和動能隨時間的變化曲線

圖12是不同速度子彈打擊下子彈速度和動能隨時間的變化曲線。結(jié)果表明：這種復合結(jié)構的復合板材存在一個最佳的防彈速度區(qū)間。在這個區(qū)間內(nèi)，靶板對在一定入射速度以內(nèi)的子彈所吸收動能隨著彈速增加而增加；在區(qū)間之外，靶板吸收動能隨著彈速增加而減少。

3 結(jié)語

纖維-聚合物復合防彈材料具有質(zhì)輕及優(yōu)良的防彈性能，作為一種高性能防彈復合材料而深受科技界，特別是國防科學界人士的重視。目前無論是制備技術還是理論研究都取得了顯著的進展，特別是彈體沖擊作用下能量耗散機制及其調(diào)控技術所取得的研究成果為人們設計制造新型的纖維-聚合物復合防彈材料提供了很好的可借鑒依據(jù)。

然而，隨著科學技術的不斷進步，人們對防彈材料的要求也越來越高，并且纖維-聚合物復合防彈材料也正朝著多功能化等方面發(fā)展。因此，今后需要從更寬廣的視野來深入地探討其能量耗散機制，完善其調(diào)控技術，由此發(fā)展新的理論和新的方法，以滿足防彈材料未來發(fā)展的需要。

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