超高分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應(yīng)用

周 熠， 陳曉鋼， 張尚勇， 龔小舟

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200；2. 曼徹斯特大學(xué) 材料學(xué)院， 英國 曼徹斯特 M13 9PL)

超高分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應(yīng)用

周 熠1， 陳曉鋼2， 張尚勇1， 龔小舟1

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200；2. 曼徹斯特大學(xué) 材料學(xué)院， 英國 曼徹斯特 M13 9PL)

為提升柔性防彈服的防彈性能，將超高分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物用于單向鋪層材料中，以增強(qiáng)材料整體的能量吸收性能。通過穿透性彈道實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維制成的機(jī)織物在沖擊過程中對(duì)受到的剪切作用有較好的抵御效果；單向鋪層材料對(duì)于橫向拉伸作用，有較好的防護(hù)作用。基于這種結(jié)論，設(shè)計(jì)了復(fù)合型防彈材料。測試結(jié)果表明，機(jī)織物放置在靠近彈丸沖擊的一側(cè)，單向鋪層材料放置在遠(yuǎn)離彈丸沖擊的一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)有利于防彈復(fù)合材料性能的提升。當(dāng)復(fù)合型防彈材料中機(jī)織物與單向鋪層材料質(zhì)量比為1∶3時(shí)，其防彈性能最好。

聚乙烯平紋織物； 單向鋪層材料； 防彈性能； 能量吸收

高性能纖維在彈道防護(hù)領(lǐng)域中的運(yùn)用使得柔性防彈服的防彈性能不斷提高，質(zhì)量不斷地降低，并且為其使用者提供良好的舒適性和活動(dòng)性?？紤]到防護(hù)領(lǐng)域?qū)Σ牧狭W(xué)性能特殊要求，大部分柔性防彈服所用的材料還僅僅局限于芳綸和超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維。芳綸具有較高的拉伸強(qiáng)度(2.9～3.4 GPa)和彈性模量(70～135 GPa)、較低的體積密度(1.44 g/cm3)和抗沖擊性能以及較好的耐熱性能, 成為優(yōu)良的防彈材料；超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維是一種由平均相對(duì)分子質(zhì)量在100萬以上的聚乙烯制備而成的纖維，是繼芳綸之后出現(xiàn)的又一種高強(qiáng)度(2.2～3.9 GPa)、高模量(52～131 GPa)的高性能纖維。該纖維除具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)以外，還具有良好的耐化學(xué)腐蝕和耐光照性能和優(yōu)良的耐沖擊、抗切割等性能，并且是所有高強(qiáng)高模纖維中密度最小的纖維(0.97 g/cm3)，因此，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維同樣也是制作柔性防彈服的絕佳材料。

對(duì)于柔性防彈服而言，平紋織物結(jié)構(gòu)在柔性防彈服的設(shè)計(jì)中使用最為廣泛。這是因?yàn)榕c其他形式的柔性材料相比，平紋織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。在對(duì)針織物性能的研究過程中發(fā)現(xiàn)，雖然其能量吸收要比同類機(jī)織物高，但是其低拉伸模量會(huì)造成非常大的橫向變形，對(duì)于柔性防彈服的整體性能不利。氈類單向鋪層材料對(duì)低速大體積彈片的防護(hù)性能很好，但對(duì)高速小體積彈丸的防護(hù)效果卻不理想[1-2]。在平紋結(jié)構(gòu)織物防彈性能的研究過程中，Cunniff[3]發(fā)現(xiàn)織物的緊度既不能太大也不能太小。太大的話會(huì)在織造過程中對(duì)纖維的物理性能造成影響，太小的話纖維易在彈丸沖擊過程中發(fā)生滑移，不利于能量的吸收與傳遞。Abiru等[4]對(duì)這一關(guān)鍵性問題做了更詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，織物中纖維屈曲越小，纖維的軸向與彈丸沖擊的方向越接近90°，高性能纖維的高模量和高強(qiáng)度就越能體現(xiàn)出來，但是為減少屈曲，勢必降低織物緊度，那么纖維在受到橫向沖擊時(shí)易產(chǎn)生滑移，因此，推導(dǎo)出一個(gè)臨界緊度，當(dāng)織物的緊度在這個(gè)范圍時(shí)，才會(huì)獲得最好的防彈性能。

單向鋪層(unidirectional，簡稱UD)材料結(jié)構(gòu)的發(fā)明解決了這一難題。在單向鋪層材料中，纖維呈相互平行狀排列，層與層之間以一定角度排列，隨后利用黏合劑進(jìn)行層壓黏合[5]。由于黏合劑的使用量比較小(低于20%[6])，復(fù)合而成的材料具有一定的柔性。由于沒有紗線屈曲，能量能夠通過纖維迅速地傳遞到材料中去，材料優(yōu)良的性能能夠得到最好的發(fā)揮；而且由于黏合劑的約束作用，纖維在受到外力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生滑移，這樣就杜絕了材料不受力的現(xiàn)象，提升了材料的利用率。單向鋪層材料優(yōu)越的防彈性能已在很多研究中得到證實(shí)[7-8]。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，單向鋪層材料大都由超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維構(gòu)成，而平紋織物由芳綸纖維構(gòu)成。普遍認(rèn)為超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有高模量和低密度，有利于橫向波和縱向波的傳遞，單向鋪層材料結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn)出這種性能，但是超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維之間的摩擦因數(shù)很小，平紋織物形態(tài)的纖維在受到外力作用時(shí)易產(chǎn)生滑移和拉出，改變纖維的受力狀態(tài)，阻礙纖維性能的體現(xiàn)。Cunniff[3]指出，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維Spectra所制成的平紋織物在穿透性彈丸沖擊實(shí)驗(yàn)中比芳綸Kevlar?具有更高的能量吸收，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在某種特定的環(huán)境下，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的防彈性能可以織物的形式得到更好的體現(xiàn)。

本文將利用穿透性和非穿透性彈道沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)芳綸機(jī)織物、超高分子質(zhì)量聚乙烯機(jī)織物和超高分子質(zhì)量聚乙烯單向鋪層材料的防彈性能和破壞機(jī)制進(jìn)行分析, 探討在何種條件下才能最大限度地利用超高分子質(zhì)量聚乙烯材料的力學(xué)性能，為使用者提供良好的彈道防護(hù)。除此之外，將在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出一套合理的準(zhǔn)則，優(yōu)化柔性防彈服的設(shè)計(jì)方案。

1 試樣準(zhǔn)備

本文使用的超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的型號(hào)為Dyneema?SK75(由荷蘭DSM公司提供)；單向鋪層材料的型號(hào)為Dyneema?SB1(由荷蘭DSM公司提供)；芳綸的型號(hào)為Kevlar?129(由美國杜邦公司提供)。平紋織物是在Northrop L16多臂織機(jī)上制備而成的。為更好地對(duì)比Dyneema?和Kevlar?織物的防彈性能，二者被設(shè)計(jì)成相同的面密度。單向鋪層材料Dyneema?SB1由4層平行排列的纖維網(wǎng)構(gòu)成，鋪層的角度為0°/90°。試樣參數(shù)見表 1。

表1 試樣參數(shù)Tab.1 Sample specifications

2 測試方法

彈道沖擊設(shè)備可進(jìn)行穿透性和非穿透性測試。穿透性測試主要是在單層或者少量布層上進(jìn)行，測量他們的能量吸收性能。使用的彈丸為圓柱形，底面直徑和高都為5.5 cm，質(zhì)量為1 g。彈丸的入射速度在400～500 m/s之間。彈丸的射入速度和射出速度分別采用2組紅外射線進(jìn)行測試。彈丸穿過每組紅外射線時(shí), 產(chǎn)生2次電壓脈沖。2次電壓脈沖間的時(shí)間間隔就是穿過每組射線的時(shí)間,從而可獲得彈丸的速度。測試時(shí)，試樣被裁制成25 cm×25 cm，便于夾具夾取。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 1所示。試樣的防彈性能通過計(jì)算彈丸動(dòng)能損失獲得：

式中：△E為彈丸動(dòng)能損失；m為彈丸質(zhì)量；v1和v2分別為彈丸入射和出射速度。非穿透實(shí)驗(yàn)參照美國NIJ 0101.04 《個(gè)人彈道防彈性能》實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用較多的鋪層進(jìn)行沖擊測試。材料不會(huì)被穿透，防彈性能通過被穿透試樣的層數(shù)和背部的黏土材料彈坑的深度進(jìn)行表征。

圖1 彈丸沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Ballistic impact apparatus

3 穿透性彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于入射速度不同，試樣在不同情況下受到彈丸的沖擊，因此不適合用平均能量吸收加誤差線的方式比較不同試樣的防彈性能。在此，利用入射速度和出射速度建立坐標(biāo)系，不同材料防彈性能對(duì)比如圖2所示。圖2(a)示出單層試樣的測試結(jié)果。憑借趨勢線方程，選定500 m/s的入射速度來對(duì)比在此入射速度下各試樣的能量吸收。計(jì)算結(jié)果表明，試樣1的能量吸收比試樣3高5.8%。為對(duì)比平紋結(jié)構(gòu)織物和單向鋪層結(jié)構(gòu)的防彈性能，能量吸收需要除以面密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明試樣1的能量吸收比試樣2高12.76%。通過穿透性實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和Cunniff[3]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，即由超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維制備的機(jī)織物具有最高的能量吸收性能，而獲得廣泛認(rèn)可的單向鋪層材料卻顯示出最低的能量吸收性能。

圖2 不同材料防彈性能對(duì)比Fig.2 Comparison of ballistic performance of different materials. (a) Single-layer fabrics; (b) Multi-layer fabrics

由于夾具的限制，最大可測的面密度在1 900 g/m2左右，這并不影響對(duì)3種防彈材料的性能對(duì)比。圖2(b)示出多層穿透性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，隨著層數(shù)的增加，單向鋪層材料逐漸體現(xiàn)出其優(yōu)于平紋織物的的防彈性能。根據(jù)趨勢線推斷，鋪層越多，面密度越大，單向鋪層材料的防彈性能就越好。此研究結(jié)論和Lee等[9]的結(jié)論相似，唯一的不同之處是所測試樣品是Spectra?纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：試樣1的能量吸收性能一直優(yōu)于試樣2，但是觀察試樣1的趨勢線發(fā)現(xiàn)，隨著層數(shù)的增多，能量吸收有遞減的趨勢；而試樣2的趨勢線卻不存在這種走向。

圖2(b)所示的結(jié)果很好地解釋了為什么超高分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物不利于柔性防彈服的使用設(shè)計(jì)，但其內(nèi)在原因卻值得深思，即為什么隨著層數(shù)的增加，其能量吸收性能有弱化的趨勢。Chen等[10]的研究結(jié)果表明接近子彈打擊面的材料易受到子彈的剪切作用而斷裂，遠(yuǎn)離子彈打擊面的材料易受到子彈的拉伸作用而斷裂。由于平紋織物是通過紗線上下交織而成，約束力較弱。當(dāng)受到子彈侵徹作用時(shí)，纖維易產(chǎn)生滑移 (見圖3(a))，從某種程度上來說可有效抵御子彈邊緣的剪切作用；而單向鋪層結(jié)構(gòu)材料由于集體材料的黏合作用，纖維在受到外力作用的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生滑移，子彈易通過剪切作用使纖維斷裂，這從圖3 (b)所示外觀就能觀察到。再者，平紋織物紗線間的摩擦作用可損耗一部分能量，而單向鋪層結(jié)構(gòu)材料卻沒有這種能量損耗機(jī)制。最后，夾具的握持作用很大程度上限制了紗線的抽出，使得超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的力學(xué)性能得到了充分的利用，這也可理解為什么單層狀態(tài)下超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維織物的能量吸收比芳綸織物略高。

圖3 彈丸高速?zèng)_擊下?lián)p毀試樣Fig.3 Penetrated samples upon ballistic impact. (a) Dyneema? woven fabric; (b) Dyneema?SB1 UD fabric; (c) Kevlar?129 woven fabric

隨著層數(shù)的增多，能量吸收的機(jī)制發(fā)生改變，受到彈丸橫向拉伸作用的材料所占比例越來越大，因此材料的抗拉伸性能越好，則鋪層材料的能量吸收性能越高。對(duì)于單向鋪層材料來說，由于受到基體材料的黏合作用，纖維不存在滑移的可能。當(dāng)遠(yuǎn)離打擊面的布層受到彈丸的橫向拉伸作用時(shí)，唯一的破壞方式就是纖維層的斷裂。而機(jī)織物結(jié)構(gòu)相對(duì)來說較為松散，當(dāng)彈丸通過表層纖維材料對(duì)中層和底層纖維材料進(jìn)行橫向拉伸時(shí)，中底層的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生形變和纖維滑移，使得材料易被穿透。柔性防彈服在穿戴的情況下，邊界上沒有夾具對(duì)紗線產(chǎn)生握持，纖維易被拉出，這種現(xiàn)象更為明顯。在這種情況下，機(jī)織物結(jié)構(gòu)只有靠纖維間的摩擦力對(duì)纖維的握持，來維持織物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)比超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維和芳綸纖維，前者的纖維間摩擦因數(shù)為0.14[11]，遠(yuǎn)低于后者(0.22±0.03)[12]，因此，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維平紋織物在遠(yuǎn)離打擊面的位置，更易因纖維滑移和拉出，而不是纖維斷裂，被彈丸穿透。

4 柔性防彈材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)

穿透性侵徹實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平紋織物具有較好的抗剪切性能，但受到子彈橫向拉伸時(shí)，纖維易產(chǎn)生滑移和拉出，因此可通過優(yōu)化柔性防彈服的設(shè)計(jì)，來充分利用高性能纖維的防彈性能。即已得知單向鋪層材料具有較好的抗拉伸性能，通過結(jié)合單向鋪層材料和平紋織物，設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)甲，平紋織物放置于表層；結(jié)構(gòu)乙，單向鋪層材料放置于表層。為更好地對(duì)比2種結(jié)構(gòu)的防彈性能，其面密度被設(shè)置為相似。與此同時(shí)，還對(duì)單向鋪層材料和平紋織物的混合嘗試了不同的比例，以尋求最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 復(fù)合試樣的詳細(xì)參數(shù)Tab.2 Composite sample specifications

為更好模擬防彈材料在真實(shí)情況下的防彈性能，本文研究采用了非穿透性子彈侵徹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。試樣的防彈性能取決于子彈沖擊在背部泥板留下彈坑的深度。圖4示出了復(fù)合試樣的防彈性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試樣5，即平紋織物和單向鋪層材料質(zhì)量比為1∶3時(shí)的防彈效果最好，單向鋪層材料的防彈效果次之。隨著平紋織物比例的上升，防彈性能隨之下降。通過對(duì)比結(jié)構(gòu)甲和結(jié)構(gòu)乙發(fā)現(xiàn)，將平紋織物放置在接近子彈沖擊面的一側(cè)有利于提升彈道防護(hù)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的推論相符。

圖4 不同復(fù)合材料彈坑深度對(duì)比Fig.4 Depth of back face signature for different combinations

5 結(jié) 論

本文研究目的是探討超高分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應(yīng)用。穿透性子彈侵徹實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，在材料層數(shù)較少的情況下，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維平紋織物表現(xiàn)出最優(yōu)越的能量吸收性能，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維單向鋪層材料最差；隨著材料層數(shù)增多，單向鋪層材料能提供最好的防彈性能。原因是材料層數(shù)較少的情況下，子彈易通過剪切作用使纖維斷裂，平紋織物相對(duì)松散的結(jié)構(gòu)有利于抵抗子彈的剪切作用；材料布層較多的情況下，遠(yuǎn)離打擊面的材料會(huì)受到子彈的橫向拉升作用，而單向鋪層材料結(jié)構(gòu)由于纖維被黏合劑固定住，有利于抵抗子彈的拉伸作用。關(guān)于超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維和芳綸纖維平紋織物的對(duì)比，得出的結(jié)論是當(dāng)材料的結(jié)構(gòu)相同時(shí)，纖維/紗線間存在的摩擦力能夠在一定程度上防止紗線受到子彈沖擊時(shí)發(fā)生滑移和拉出，有利于纖維力學(xué)性能的體現(xiàn)。

本文研究提出了一種防彈材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)織物放置在靠近子彈沖擊的一側(cè)，單向鋪層材料放置在遠(yuǎn)離子彈沖擊的一側(cè)，有利于防彈復(fù)合材料性能的提升。最優(yōu)化的復(fù)合型防彈材料是機(jī)織物和單向鋪層材料質(zhì)量比為1∶3，其防彈性能比單一單向鋪層材料構(gòu)成的布層更好。盡管超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維在柔性防彈服的運(yùn)用上主要是單向鋪層材料的形式，但是其平紋織物形態(tài)的利用仍然有值得挖掘的空間。利用超高分子質(zhì)量聚乙烯機(jī)織物和單向鋪層材料進(jìn)行柔性防彈布層的設(shè)計(jì)是一種思路，另一種思路是和芳綸機(jī)織物復(fù)合。

[1] HEARLE J W S, LEECH C M, ADEYEFA A, et al. Ballistic impact resistance of multi-layer textilefab-rics [R]. Manchester: University of Manchester Institute of Science and Technology, 1981：48.

[2] SCOTT B R. New Ballistic Products and Technolog-ies [M]//ASHOCK B. Lightweight Ballistic Composites: Chapter 12. Cambridge: Woodhead publishing Ltd and CRC Press LLC, 2006: 348.

[3] CUNNIFF P M. An analysis of the system effects of woven fabrics under ballistic impact[J]. Textile Research Journal, 1992, 62(9): 495-509.

[4] ABIRU S, LIZUKA K. Bulletproof fabric and process forits production: US patent, 5935881 [P]. 1999-10-10.

[5] WANGER L. Introduction [M]//ASHOCK B. Lightweight Ballistic Composite: Chapter 1. Cambridge: Woodhead publishing Ltd and CRC Press LLC, 2006: 7.

[6] GRUJICIC M, ARAKERE G, HE T, et al. Ballistic material model for cross-plied unidirectionalultra high molecular-weight polyethylene fibre reinforced armour-grade composite [J]. Mater Science Journal, 2008, 498:231-241.

[7] KARAHAN M. KARAHAN N Investigation of ballistic properties of woven unidirectional hybrid panels according to energy absorption capabilities [C]// KUS A, EREN R. SAMPE′07 Conference. Baltimore, USA, 2007:119-129.

[8] KARAHAN M. Comparison of ballistic performance and energy absorption capabilities of woven and unidirectional aramid fabrics [J]. Textile Research Journal, 2008, 78(8): 718-30.

[9] LEE B L, SONG J W, WARD J E. Failure of spectra polyethylene fibre-reinforced composites under ballistic impact loading [J]. Journal of Composite Materials, 1994, 28: 1202-1225.

[10] CHEN X, ZHU F, WELLS G. An analytical model for ballistic impact on textile based body armour [J]. Composites: Part B Engineering, 2012, 45 (1): 1508-1514.

[11] CHEN X, ZHOU Y, WELLS G. Numerical and experimental investigations into ballistic performance of hybrid fabric panels [J]. Composites: Part B Engineering, 2013, 58: 35-42.

[12] BRISCOE B J, MOTAMEDI F. The ballistic impact characters of aramid fabrics: the influence of interface friction [J]. Textile Research Journal, 1992, 158: 229.

Application of ultra-high molecular-weight polyethylene plain weave in soft body armour

ZHOU Yi1, CHEN Xiaogang2, ZHANG Shangyong1, GONG Xiaozhou1

(1.CollegeofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan，Hubei430200,China;2.SchoolofMaterials,UniversityofManchester,MachesterM13 9PL,UK)

In order to improve the ballistic performance of soft body armour, ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) plain woven fabrics were incorporated into the unidirectional (UD) panel, aiming to increase the energy absorption of the whole panel. Through ballistic penetration shooting tests, it was found that woven structure exhibit better shear resistance and UD structures gives better tensile resistance upon ballistic impact. According to this phenomenon, hybrid ballistic panel design guidance was developed. The results showed that placing the woven fabrics close to the impact face and UD material as the rear layers led to better ballistic performance than the panel constructed in the reverse sequence. It has also been found that the optimum ratio of woven to UD materials in the hybrid ballistic panel was 1∶3.

ultra-high-molecular-weight polyethylene plain weave； unidirectional nonwowe fabric； bullet protection； energy absorption

10.13475/j.fzxb.20150300605

2015-03-05

2015-12-01

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(11502179)

周熠(1987—)，男，講師，博士。主要研究方向?yàn)閺椀婪雷o(hù)材料及其力學(xué)性能分析。龔小舟，通信作者，E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TB 334

A