Kevlar、UHMWPE疊層織物防彈性能研究

翁浦瑩，李艷清，MEMON Hafeezullah，孔春鳳，康凌峰，祝成炎

(浙江理工大學(xué)“紡織纖維材料與加工技術(shù)”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州　310018)

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Kevlar、UHMWPE疊層織物防彈性能研究

翁浦瑩，李艷清，MEMON Hafeezullah，孔春鳳，康凌峰，祝成炎

(浙江理工大學(xué)“紡織纖維材料與加工技術(shù)”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州310018)

摘要：采用芳綸平紋織物、超高分子量聚乙烯無(wú)緯布為原料，設(shè)計(jì)4種厚度的Kevlar疊層織物、3種厚度的UHMWPE疊層織物，選用4種不同速度進(jìn)行實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)，探討了子彈沖擊速度與疊層織物厚度對(duì)織物防彈性能的影響。研究表明：子彈沖擊速度提高，子彈由圓形頭轉(zhuǎn)換為尖形頭，疊層織物單位面積吸收能量均下降，子彈剪切作用力對(duì)織物的破壞層數(shù)增多；相近沖擊速度下，疊層織物厚度增加，其單位面積吸收能量相應(yīng)提高，織物纖維抽拉越發(fā)嚴(yán)重，彈孔表觀更為粗糙，且子彈對(duì)織物的剪切作用力轉(zhuǎn)化為拉伸作用發(fā)生在30層Kevlar平紋織物中的10層內(nèi)及50層UD布中的17層之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：芳綸；超高分子量聚乙烯；防彈性；彈孔表觀

目前，纖維復(fù)合材料在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展越發(fā)廣闊[1]。防彈用高性能纖維原料有芳綸纖維(Kevlar)、超高分子量聚乙烯纖維(ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)、碳纖維等。作為防護(hù)裝備的復(fù)合材料中[2-4]，大多采用Kevlar纖維織物、UHMWPE纖維織物作為預(yù)制件，纖維通常以機(jī)織物、無(wú)緯布(UD布)等形式存在，且預(yù)制件原料、組織結(jié)構(gòu)、厚度、復(fù)合形式及其制備工藝、層合方式等因素對(duì)于材料的防彈性能具有較大的影響[5-7]。

其中機(jī)織物又有二維機(jī)織物與三維機(jī)織物之分，二維機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)可采用平紋、斜紋、紗羅組織等等，其結(jié)構(gòu)柔軟，穿著舒服，在高效防彈的同時(shí)提高防彈衣的舒適性[8-10]；無(wú)緯布由于組織結(jié)構(gòu)中無(wú)纖維屈曲現(xiàn)象，纖維的抗拉強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能保持率高，因而子彈對(duì)織物產(chǎn)生的應(yīng)力波與能量的傳播速度更快[11-12]。

研究以芳綸(Kevlar)平紋織物與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)無(wú)緯布(UD布)作為原料，設(shè)計(jì)織物層疊厚度，根據(jù)《GA141—2010警用防彈衣通用技術(shù)條件》[13-14]選擇4種不同等級(jí)相對(duì)應(yīng)的槍彈，對(duì)層疊織物進(jìn)行實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)，分析子彈頭形狀、射擊速度及織物厚度對(duì)材料防彈性能的影響。

1　試驗(yàn)

1.1原料準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用芳綸(Kevlar)平紋織物與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)無(wú)緯布(UD布)作為原料，其基本規(guī)格如表1所示。

表1原料基本規(guī)格

原料織物類型線密度/tex經(jīng)緯密/(根/10cm)面密度/(g/m2)厚度/mm生產(chǎn)廠家Kevlar平紋機(jī)織12294*942070.34常州高遠(yuǎn)化工有限公司UHMWPE無(wú)緯布——1700.20寧波大成新材料股份有限公司

1.2試樣制備

制備4組試樣，如表2所示，確定織物理論厚度為1cm，分別以Kevlar平紋織物與UD布制備a組、b組試樣；改變織物理論厚度，分別以Kevlar平紋織物與UD布制備c組、d組試樣。

表2試樣規(guī)格

試樣編號(hào)試樣厚度/cm面密度/(kg/m2)a130層Kevlar平紋織物0.876.5495a230層Kevlar平紋織物0.866.5358a330層Kevlar平紋織物0.866.5358a430層Kevlar平紋織物0.866.4590b150層UD布1.008.6720b250層UD布1.008.6720b350層UD布1.008.6720c110層Kevlar平紋織物0.282.1520c220層Kevlar平紋織物0.574.3230c330層Kevlar平紋織物0.866.5358c440層Kevlar平紋織物1.148.6303d117層UD布0.352.9473d234層UD布0.675.8640d350層UD布1.008.6720

1.3實(shí)彈射擊試驗(yàn)

實(shí)彈射擊試驗(yàn)在南京理工大學(xué)彈道國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彈道實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)研究室第三研究室進(jìn)行。實(shí)彈射擊試驗(yàn)原理如圖1所示。發(fā)射槍處固定相應(yīng)的槍支，槍彈類型根據(jù)《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)決定，如表3；采用靶1和靶2與測(cè)試儀1的連接，測(cè)試子彈的入射速度；靶3和靶4與測(cè)試儀2的連接，測(cè)試子彈的出射速度；受彈器布滿鋼絲圈可降低子彈速度，并將子彈收納其中。

圖1　實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)原理

防護(hù)等級(jí)使用槍型彈藥類型彈頭結(jié)構(gòu)彈丸長(zhǎng)度/mm彈丸質(zhì)量/g21954年式手槍1951年式手槍彈圓頭鉛心14.05.6031979年式微型沖鋒槍1951年式手槍彈圓頭鉛心14.05.6057.62mm彈道槍1956年式普通彈尖頭錐底鋼心鉛套26.87.9161979年式狙擊步槍1953年式普通彈尖頭錐底鋼心鉛套32.39.70

以防護(hù)等級(jí)2、3、5、6對(duì)應(yīng)的槍彈依次對(duì)試樣a1、a2、a3、a4進(jìn)行測(cè)試，以防護(hù)等級(jí)3、5、6對(duì)應(yīng)的槍彈依次測(cè)試試樣b1、b2、b3；選用79式微型沖鋒槍、51式手槍彈對(duì)c組、d組厚度試樣進(jìn)行防彈性能測(cè)試。根據(jù)測(cè)試所得子彈入射速度及出射速度，代入式(1)、式(2)，可得到彈道性能指標(biāo)I值，表示復(fù)合材料單位面積吸收能量。

(1)

I=E/D

(2)

其中：E為吸收能量，J；m為子彈的質(zhì)量，kg；vs為子彈的入射速度，m/s；vr為子彈的出射速度，m/s；I為單位面積吸收能量，J·m2/kg；D為材料的面密度，kg/m2。

2　結(jié)果與分析

2.1沖擊速度對(duì)疊層織物防彈性能的影響

根據(jù)《GA14—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)，選用4種防護(hù)等級(jí)相應(yīng)的槍彈對(duì)Kevlar平紋織物與UHMWPE無(wú)緯布(UD布)進(jìn)行織物防彈性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。子彈入射速度與織物防彈性能的關(guān)系如圖2，在試樣擊穿的情況下，子彈入射速度越大，織物單位面積吸收能量值下降，但沖擊速度相似，50層UD布的彈道性能優(yōu)于30層Kevlar平紋織物。

表4改變沖擊速度的試驗(yàn)結(jié)果

試樣編號(hào)子彈入射速度/(m/s)穿透情況a1429.98未擊穿a2529.66擊穿a3729.53擊穿a4818.33擊穿b1491.16未擊穿b2722.73擊穿b3815.66擊穿

圖2　子彈入射速度與織物防彈性能的關(guān)系

2.1.1沖擊速度對(duì)Kevlar織物防彈性能的影響

圖3為30層Kevlar平紋織物試樣通過(guò)4種不同速度的槍彈測(cè)試后的織物彈孔表觀圖。試樣a1通過(guò)54式手槍、圓頭型51式手槍彈以入射速度429.98m/s測(cè)試，結(jié)果顯示試樣未擊穿，子彈以蘑菇狀?yuàn)A在第9層與第10層之間，且在下一層織物表面留下明顯的凹痕，表明30層Kevlar平紋織物符合《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)防護(hù)等級(jí)。試樣a2改用79微型沖鋒槍，子彈依舊為圓頭型51式手槍彈，入射速度達(dá)到529.66m/s，試樣被擊穿，圖3中顯示的a2正面彈孔呈現(xiàn)圓形，表觀較為平整，織物受到子彈侵入初期纖維產(chǎn)生了剪切斷裂；而試樣反面出彈孔極為粗糙，具有明顯的紗線抽拉現(xiàn)象，織物中的紗線發(fā)生了嚴(yán)重的拉伸斷裂。

圖3　不同沖擊速度下Kevlar織物彈孔表觀形貌

以7.62mm彈道槍、尖頭型56式普通彈測(cè)試試樣a3，入射速度為729.53m/s，試樣產(chǎn)生完全穿孔，觀察彈孔表觀形態(tài)，沖擊面彈孔形狀為菱形四邊形，四條邊與試樣經(jīng)紗近似成45°，且彈孔表面光滑，無(wú)抽拉現(xiàn)象；非沖擊面彈孔周圍凸起，粗糙程度較a2試樣明顯較弱，由于子彈為尖頭型，速度較快，故30層Kevlar平紋織物試樣中近沖擊面層多為發(fā)生剪切斷裂，離沖擊面最遠(yuǎn)的若干層產(chǎn)生拉伸斷裂，但更多的是子彈穿過(guò)試樣時(shí)接觸點(diǎn)周圍紗線被擠壓的現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)圖2可知，子彈由圓頭型轉(zhuǎn)換為尖頭型，子彈入射速度由529.66m/s提升到729.53m/s，30層Kevlar平紋織物單位面積吸收能量從30.70J·m2/kg下降到9.31J·m2/kg，減少率高達(dá)69.7%，可見(jiàn)與圓頭型子彈相比，尖頭型子彈對(duì)于織物的沖擊力度更大，對(duì)織物造成的剪切效果更明顯，但子彈頭穿過(guò)試樣所需的時(shí)間更短，故試樣更容易被穿透，單位面積吸收能量更少。

試樣a4測(cè)試所用槍彈為79式狙擊步槍、尖頭型53年式普通彈，可測(cè)試試樣是否滿足6級(jí)防護(hù)能力。本次測(cè)試實(shí)際入射速度為818.33m/s，織物單位面積吸收能量?jī)H為7.33J·m2/kg，子彈在短時(shí)間內(nèi)穿過(guò)試樣，由于速度過(guò)快，觀察試樣彈孔表觀形貌，可見(jiàn)正反面彈孔形狀相似，但正面彈孔周圍紗線斷裂干脆利落，而反面存在個(gè)別紗線的抽拉現(xiàn)象，略顯粗糙；從紗線變形情況看，高速子彈對(duì)于試樣產(chǎn)生的沖擊波涉及范圍較小，故子彈通過(guò)試樣所消耗的能量較少，速度下降較小。

2.1.2沖擊速度對(duì)UHMWPE織物防彈性能的影響

圖4為以4種不同速度的槍彈測(cè)試50層UD布后的織物彈孔表觀圖。試樣b1能夠防住79式微型沖鋒槍配用的51式手槍彈，子彈以491.16m/s的沖擊速度射入試樣，僅通過(guò)第26層UD布，可見(jiàn)

50層UD布符合《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)防護(hù)等級(jí)，且50層UD布的防彈性能優(yōu)于相同理論厚度的30層Kevlar平紋織物。51式手槍彈彈頭為圓形，高速?zèng)_擊下對(duì)于試樣的剪切作用瞬間破壞UD布層數(shù)較少，隨后轉(zhuǎn)換為拉伸作用力，子彈頭最終以蘑菇狀?yuàn)A在26層與27層UD布之間，與Kevlar平紋織物相比，UD布能夠更有效的抵抗拉伸作用力，但抗剪切作用能力較弱。

提升子彈入射速度，將測(cè)試用槍彈更換為7.62mm彈道槍、尖頭型56式普通彈，試樣b2被完全穿孔，觀察彈孔表觀圖，試樣正面受剪切破壞，彈孔形狀近似于正方形，其中對(duì)稱兩邊與UD布經(jīng)向平行；子彈出射面彈孔面積略小于入射面，且沿經(jīng)向垂直方向的織物破壞較為嚴(yán)重，涉及范圍較廣，這主要是由子彈沖擊后期對(duì)于UD布產(chǎn)生的拉伸作用造成的。

以79式狙擊步槍、尖頭型53式普通彈測(cè)試b3試樣，從圖4可見(jiàn)，試樣正面彈孔邊界相對(duì)平整，彈孔呈橢圓形，且沖擊面彈孔周邊未受子彈沖擊波的影響；試樣反面彈孔邊緣可見(jiàn)少許纖維斷裂形貌，經(jīng)向垂直方向的織物破壞面積遠(yuǎn)小于b2試樣；b3試樣單位面積吸收能量為8.35J·m2/kg，相較于b2試樣吸收的能量減少了24.7%。測(cè)試用子彈頭尖形比圓形對(duì)織物沖擊力度更大，子彈頭越尖，織物對(duì)子彈的抵抗能力越弱。

圖4　不同沖擊速度下UHMWPE織物彈孔表觀形貌

2.2厚度對(duì)疊層織物防彈性能的影響

通過(guò)改變厚度對(duì)Kevlar平紋織物與UHMWPE無(wú)緯布(UD布)進(jìn)行織物防彈性能測(cè)試，根據(jù)上述改變沖擊速度的測(cè)試結(jié)果，選用79式微型沖鋒槍、51式手槍彈對(duì)厚度試樣進(jìn)行測(cè)試。Kevlar平紋織物以1∶2∶3∶4的比例設(shè)計(jì)厚度，UD布的厚度比例為1∶2∶3，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算織物單位面積吸收能量，得到如圖5所示規(guī)律，隨著試樣厚度增加，織物單位面積吸收能量值具有上升趨勢(shì)，其中40層Kevlar平紋織物、50層UD布未被擊穿。

圖5　織物厚度與其防彈性能的關(guān)系

2.2.1厚度對(duì)Kevlar織物防彈性能的影響

圖6顯示了4種不同層數(shù)的Kevlar平紋織物正反面彈孔表觀圖。試樣c1為10層Kevlar平紋織物，在高速?zèng)_擊下，子彈擊穿試樣，穿過(guò)試樣初期纖維斷裂平整，彈孔周圍破壞涉及面較少，子彈對(duì)織物產(chǎn)生剪切作用力；后期子彈穿出織物，由于織物較薄，子彈拉伸作用影響較小，織物紗線有少許抽拉現(xiàn)象。當(dāng)織物層數(shù)翻倍，增加到20層時(shí)，由c2反面可見(jiàn)，彈孔表面較為粗糙，明顯有一束長(zhǎng)纖維束抽拉出來(lái)。試樣為30層Kevlar平紋織物時(shí)，正面彈孔周圍紗線斷裂清晰，表面平整，反面拉伸破壞較為嚴(yán)重，子彈對(duì)織物的作用力在前10層內(nèi)已經(jīng)由剪切作用力轉(zhuǎn)換為拉伸作用力，通過(guò)20層以上的拉伸作用，子彈速度產(chǎn)生大量能量被消耗，對(duì)織物的作用力逐漸減弱，因此子彈對(duì)織物的抽拉作用不再干脆，纖維斷裂越發(fā)粗糙，故c3反面可見(jiàn)大量纖維被拉拔在外。繼續(xù)增加試樣層數(shù)，即試樣為40層Kevlar平紋織物時(shí)，以526.04m/s的沖擊速度，試樣未被擊穿，子彈以蘑菇狀?yuàn)A在第26層與27層之間，說(shuō)明40層Kevlar平紋織物符合《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)防護(hù)等級(jí)。

圖6　不同厚度的Kevlar織物彈孔表觀形貌

2.2.2厚度對(duì)UHMWPE織物防彈性能的影響

不同層數(shù)的UD布正反面彈孔表觀圖如圖7所示。試樣d1為17層UD布，測(cè)試子彈入射速度達(dá)到527.15m/s，由彈孔表面可見(jiàn)，試樣正面彈孔邊界清晰，形狀近似正方形，面積明顯大于試樣反面；d1反面彈孔周圍較為粗糙，具有纖維抽拉現(xiàn)象，說(shuō)明在UD布17層內(nèi)子彈對(duì)織物的破壞力已由剪切作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔熳饔昧?。?dāng)試樣為34層UD布時(shí)，子彈以525.76m/s的沖擊速度測(cè)試，雖子彈擊穿試樣，其速度大幅度下降，織物單位面積吸收能量達(dá)到68.06 J·m2/kg，觀察彈孔表觀形貌，正面纖維斷裂平整，而反面織物產(chǎn)生明顯的抽離固定支架的趨勢(shì)，可見(jiàn)以3級(jí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試擊穿34層UD布較困難。當(dāng)試樣層數(shù)增加到50層時(shí)，試樣未被擊穿，子彈僅通過(guò)第26層UD布，符合《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)防護(hù)等級(jí)。

圖7　不同厚度的UHMWPE織物彈孔表觀形貌

3　結(jié)　論

以30層Kevlar平紋織物與50層UD布為試樣，改變測(cè)試用子彈速度，分析沖擊速度、子彈形狀等對(duì)疊層織物防彈性能的影響；以79微型沖鋒槍、圓頭型51式手槍彈設(shè)定沖擊速度，改變Kevlar疊層織物與UHMWPE疊層織物的厚度，分析厚度對(duì)疊層織物防彈性能的影響。得到具體結(jié)論如下：

a) 30層Kevlar平紋織物符合《GA141—2010警用防彈衣》標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)防護(hù)等級(jí)，而50層UD布滿足3級(jí)防護(hù)等級(jí)；隨著子彈沖擊速度提高，子彈由圓形頭轉(zhuǎn)換為尖形頭，疊層織物單位面積吸收能量均下降，且彈孔表觀形貌由粗糙、抽拉情況明顯轉(zhuǎn)變?yōu)閺椏灼秸⒗w維拉拔略微減少，可見(jiàn)子彈剪切作用力對(duì)織物的破壞層數(shù)增多。

b) 相近沖擊速度下，疊層織物厚度增加，其單位面積吸收能量相應(yīng)提高，Kevlar平紋織物中，在10層內(nèi)子彈對(duì)織物的作用力已由初始的剪切破壞轉(zhuǎn)化為拉伸破壞，厚度增加，織物纖維抽拉越發(fā)嚴(yán)重，子彈表觀更為粗糙，40層Kevlar平紋織物可有效抵抗526.04m/s的沖擊速度；UD布中，子彈對(duì)織物作用力的轉(zhuǎn)化發(fā)生在17層之內(nèi)，34層織物對(duì)子彈的抵抗作用加強(qiáng)，子彈擊穿試樣較為艱難。

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(責(zé)任編輯：陳和榜)

收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：浙江省國(guó)際科技合作專項(xiàng)(合作研究)項(xiàng)目(2012C24013)；浙江省高校重中之重學(xué)科開放基金資助項(xiàng)目(2013YXQN02)；浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目(YCX14011)

作者簡(jiǎn)介：翁浦瑩(1990-)，女，浙江余姚人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品方面的研究。 通信作者：祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X(2016)03-0013-06

Bulletproof Performance of Kevlar and UHMWPE Multi-layered Textiles

WENGPuying,LIYanqing,MEMONHafeezullah,KONGChunfeng,KANGLingfeng,ZHUChengyan

(National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology(Zhejiang),Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：In this research, the Kevlar multi-layered textiles with 4 thicknesses and UHMWPE multi-layered textiles with 3 thicknesses were designed by using Kevlar plain woven fabrics and UHMWPE non-woven clothes as raw materials. Firing practice experiments at 4 different speeds were carried out so as to discuss the influences of the speed of bullet impact and thickness of multi-layered textile on the bulletproof performance of textiles. The results show that the impact speed is increased when round bullets are changed to pointed bullets, and the amount of energy absorbed by the textile in a unit area is reduced, and more broken fabrics are found under shearing action. It had also been found that when the multi-layered textiles were made thicker and similar impact speeds were applied, the more amount of energy was absorbed. Moreover, the bullet holes are found to be rougher and more fibers are pulled out from the textile under severe impacts. In addition, it is also exhibited that the force of ballistic impact was changed from shearing action to tension effect within the first 10 layers of 30-layer Kevlar plain woven textile and within the first 17 layers of 50-layer UD textile.

Key words：Kevlar; UHMWPE; bulletproof; appearance of bullet hole