超高分子量聚乙烯材料軟質(zhì)防彈衣抗彈性能老化衰減規(guī)律研究

孫非， 曲一， 徐誠

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094; 2.公安部第一研究所， 北京 100048)

0 引言

超高分子量聚乙烯材料(簡稱PE材料)是目前國內(nèi)外使用量最大的防彈材料，憑借比重輕、強度高、耐老化、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)勢，已被廣泛用于軟質(zhì)防彈衣、防彈頭盔、排爆服、防彈裝甲車、武裝直升飛機等防護裝備的生產(chǎn)制作[1-7]。我國幅員遼闊、氣候條件復(fù)雜，PE材料制作的軟質(zhì)防彈衣在實際使用環(huán)境下主要面臨低溫、高熱、高濕或光線曝曬等老化因素的影響。作為一種重要的軟質(zhì)防彈衣材料，PE材料理化性能具有較明顯的特點。在環(huán)境溫度為-45～0 ℃的低溫條件下材料性能的變化較小，而在70 ℃高溫、高濕熱環(huán)境及強烈日光曝曬情況下，材料防護性能會有較大幅度下降[1-2]。但哪種情況對軟質(zhì)防彈衣的性能影響最明顯，進口材料與國產(chǎn)材料的衰減幅度是否有區(qū)別，采用哪種手段可避免抗彈性能降低，這些問題在目前都是憑經(jīng)驗決定，并無實際數(shù)據(jù)支撐。

本文采用人工加速老化試驗方法對PE材料軟質(zhì)防彈衣進行試驗，通過實彈測試方法測定老化因數(shù)對防彈性能的影響情況，通過回歸分析方法獲得軟質(zhì)防彈衣抗彈性能衰減經(jīng)驗公式，研究成果有助于促進更科學(xué)、更合理地使用、貯存軟質(zhì)防彈衣，確保防彈衣在有效使用期限內(nèi)的安全性。

1 試驗對象與方法

本文選用1種進口PE材料防彈衣樣本和1種國產(chǎn)PE材料防彈衣樣本，根據(jù)軟質(zhì)防彈衣實際使用情況分別進行高溫、高濕熱與氙弧燈光照射3種人工加速老化試驗，觀察并分析不同人工加速老化因素對軟質(zhì)防彈衣防彈性能的影響。

1.1 樣本參數(shù)

為保證試驗數(shù)據(jù)的可比性，本文采用的兩種材料樣本結(jié)構(gòu)的防彈性能均可達到國家公共安全行業(yè)標準GA141—2010 警用防彈衣中的2級防護(防護1954年式7.62 mm手槍發(fā)射的1951年式7.62 mm圓頭鉛心、覆銅鋼被甲手槍彈，彈頭初速(445±10) m/s，樣品規(guī)格均為400 mm×400 mm，每種樣品為4組，樣本具體參數(shù)見表1,其中進口材料樣品厚度為8.01 mm,國產(chǎn)材料樣品厚度為8.73 mm.

表1 試驗樣本參數(shù)表

1.2 試驗條件與方法

本文將兩種PE樣本逐一進行高溫、高濕熱及氙弧燈光照射3種人工加速老化方式的試驗預(yù)處理，此后完成彈道極限測試。

1.2.1 高溫老化試驗

采用重慶威爾公司生產(chǎn)的4HRT710PA可編程高低溫濕熱試驗箱進行試驗，對樣本進行70 ℃條件的高溫老化試驗，老化時間設(shè)定為500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h共4個階段。每個老化時間階段分別測試進口材料與國產(chǎn)材料中的1組樣本，樣本無保護套，完全暴露在試驗箱中。

1.2.2 高濕熱老化試驗

濕熱老化試驗采用4HRT710PA可編程高低溫濕熱試驗箱，在保持相對濕度75%的條件下對樣本進行溫度循環(huán)預(yù)處理。溫度循環(huán)范圍為35～65 ℃，每隔2 h調(diào)整1次溫度，每個周期為24 h. 試驗設(shè)定4個時間階段，分別為14個周期(2周)、28個周期(4周)、42個周期(6周)、56個周期(8周)，每個階段分別測試進口材料與國產(chǎn)材料中的1組樣本，樣本完全暴露在試驗箱中。每個周期溫度循環(huán)變化見表2.

表2 單周期溫度循環(huán)變化表

1.2.3 氙弧燈光照射老化試驗

采用美國Atlas公司生產(chǎn)的Ci65/DMCA雙光源氣候儀進行氙弧燈光照射老化試驗，將樣本完全暴露在燈光下，照射50 h、100 h及150 h共3個時間階段，每個階段分別測試進口材料與國產(chǎn)材料中的1組樣本。

1.2.4 彈道極限測試

本文對于材料的防彈性能參考GA141—2010 警用防彈衣標準附錄D的方法，采用彈道極限V50值測試的方式進行抗彈性能評估。彈道極限V50值作為防彈材料防護性能的重要參數(shù)，表征了防彈材料被槍彈完全貫穿的概率為50%時的彈頭初速，可定量評價防彈材料的性能，目前這一方法在軍用和警用防彈裝備評估體系中得到廣泛應(yīng)用。

本文彈道測試采用7.62 mm口徑彈道槍，試驗用彈為1951年式7.62 mm手槍彈(鉛心，可調(diào)速)，射擊角度垂直于樣本表面，靶板與測速點間的距離為2 m，取6發(fā)有效數(shù)據(jù)進行計算。根據(jù)概率評估方法，V50值的置信區(qū)間取3 s，即最低設(shè)定彈道極限為495 m/s，低于該速度則認為樣本失效，無法保證穿著者安全。特別需要注意的是，為了降低試驗室環(huán)境對樣本的影響，全部彈道極限測試在樣本從試驗箱中取出10 min內(nèi)迅速完成。

1.3 樣品編號

將全部樣本按照試驗條件進行編號，兩種樣本來源各做1組初始狀態(tài)彈道極限測試，每種老化條件的時間階段各做1組彈道極限測試，樣本共計24組，編號見表3.

表3 樣本編號匯總表

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

PE材料軟質(zhì)防彈衣是由PE纖維與熱塑性樹脂組成的。PE纖維結(jié)晶度和取向性較高、密度較低、性能穩(wěn)定，是抵抗彈頭侵徹的優(yōu)良材料。而熱塑性樹脂可將束狀排列的單根PE纖維無縫隙地黏結(jié)在一起，起到加強材料防彈能力的作用。氧化是促使防彈材料老化的最重要因素，在高溫、高濕熱與光線照射情況下發(fā)生的氧化反應(yīng)，都會加快材料老化的速度。特別是對于樹脂而言，其老化速度比PE纖維速度更快，而一旦失去了樹脂包覆固定，單束PE纖維將無法承擔(dān)防彈的作用。

本文將經(jīng)過高溫、高濕熱及氙弧燈光照射3種人工加速老化預(yù)處理后，進行彈道極限測試的樣本試驗結(jié)果做歸納統(tǒng)計，采用回歸方式進行分析，獲得老化條件、老化時間等對樣本抗彈性能的影響規(guī)律。

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 高溫老化試驗結(jié)果

樣本在70 ℃高溫老化試驗中彈道極限V50的測試結(jié)果見表4. 從表4可知，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間增長有所下降，其中進口材料受到高溫老化時間的影響變化較小，而國產(chǎn)材料的性能隨老化時間增長下降趨勢較為明顯，但都未跌過預(yù)設(shè)的安全值(495 m/s)下限。在材料外觀方面，進口材料在經(jīng)過1 500 h老化后外觀變化不明顯，樣品表面僅微微發(fā)黃，材料本身仍保持較高的柔韌性。而國產(chǎn)材料在500 h老化處理后就出現(xiàn)表面起皺現(xiàn)象，隨著老化時間的增長，這種現(xiàn)象逐漸加強，同時樣品變硬。

表4 70 ℃高溫老化試驗彈道極限V50測試結(jié)果

2.1.2 高濕熱老化試驗結(jié)果

濕熱老化試驗彈道極限V50的測試結(jié)果見表5. 從表5可知，試驗發(fā)現(xiàn)在濕熱老化條件下，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間增長有所下降，下降幅度基本相當(dāng)，但都未跌過預(yù)設(shè)的安全值(495 m/s)下限。在濕熱老化試驗過程中，兩種材料樣品的外觀均無較大變化，只是國產(chǎn)材料樣品發(fā)生了表面和內(nèi)部起皺現(xiàn)象。

表5 高濕熱老化試驗彈道極限V50測試結(jié)果

2.1.3 氙弧燈光照射老化試驗結(jié)果

氙弧燈光照射老化試驗彈道極限V50的測試結(jié)果見表6. 從表6可知，試驗發(fā)現(xiàn)在氙弧燈光照射老化條件下，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間的增長有明顯下降，其中進口材料經(jīng)過150 h后老化的彈道極限接近預(yù)設(shè)的安全值(495 m/s)下限，僅為502 m/s，防護的安全性有問題，且材料外觀變化也非常明顯，一些位置出現(xiàn)了表面敷膜脫落，纖維之間樹脂分解導(dǎo)致部分材料呈絲狀的現(xiàn)象。

表6 氙弧燈光照射老化試驗彈道極限V50測試結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)回歸分析

回歸分析是研究處理變量之間關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法，能夠被用來研究變量之間的統(tǒng)計規(guī)律性，進而對試驗結(jié)果進行預(yù)測。通過以上試驗結(jié)果能夠初步推定材料隨著老化時間的延長，防彈性能會有一定程度的下降，因此能夠判斷老化時間與防彈性能具有確定性關(guān)系，即函數(shù)關(guān)系。將老化時間設(shè)為自變量x，彈道極限V50值設(shè)為因變量Y，繪制各老化條件的散點圖并擬合函數(shù)曲線，確定回歸方程，預(yù)測老化因素對軟質(zhì)防彈衣性能的影響程度。

本文對試驗采集的數(shù)據(jù)進行分析、擬合，同時取得回歸方程與樣本相關(guān)系數(shù)的平方值R2，通過相關(guān)系數(shù)檢驗法驗證回歸方程與實際測試值的相關(guān)性。

2.2.1 高溫老化試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表4中的數(shù)值繪制散點圖，進口材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖1所示，國產(chǎn)材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖2所示。

在70 ℃高溫老化條件下，進口材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-0.006x+576.4.

(1)

由于回歸方程的斜率為-0.006，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

在70 ℃高溫老化條件下，國產(chǎn)材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-0.026x+611.

(2)

由于回歸方程的斜率為-0.026，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

2.2.2 高濕熱老化試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表5中的數(shù)值繪制散點圖，進口材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖3所示，國產(chǎn)材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

在高濕熱老化條件下，進口材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-5.4x+576.4.

(3)

由于回歸方程的斜率為-5.4，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

在高濕熱老化條件下，國產(chǎn)材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-7.05x+618.6.

(4)

由于回歸方程的斜率為-7.05，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

比較國產(chǎn)材料與進口材料高濕熱老化回歸方程的斜率可知，兩種材料的斜率基本相當(dāng)，說明其老化衰減速度基本相當(dāng)。

2.2.3 氙弧燈光照射老化試驗數(shù)據(jù)回歸分析

根據(jù)表6中的數(shù)值繪制散點圖，進口材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖5所示，國產(chǎn)材料回歸數(shù)據(jù)分析如圖6所示。

在氙弧燈光照射老化條件下，進口材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-0.52x+578.

(5)

由于回歸方程的斜率為-0.52，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

在氙弧燈光照射老化條件下，國產(chǎn)材料的防彈性能變化擬合曲線可用線性回歸方程表示：

Y=-0.608x+609.6.

(6)

由于回歸方程的斜率為-0.608，可判斷材料隨著老化時間的增長，防彈性能在逐步下降。

2.2.4 3種老化方式橫向比較

通過對比高溫、高濕熱及氙弧燈光照射老化試驗數(shù)據(jù)和擬合出的線性回歸曲線，發(fā)現(xiàn)無論是對進口材料還是國產(chǎn)材料而言，氙弧燈光照射老化條件都是對防彈材料抗彈性能衰減影響最大的，其次是高濕熱老化條件，高溫老化條件對防彈材料抗彈性能衰減影響相對最弱.

3 回歸公式的進一步驗證

為了驗證上文所得的回歸方程是否正確，在各人工加速老化環(huán)境下進行指定時間長度的彈道極限驗證試驗。驗證試驗條件、樣品編號及測試結(jié)果見表7. 表8、表9、表10分別給出了采用2.2節(jié)各人工加速老化環(huán)境下線性回歸方程計算獲得的彈道極限0.95預(yù)測區(qū)間與實際測試值的比較，實際測試值皆在0.95預(yù)測區(qū)間，證明了第2節(jié)各人工加速老化環(huán)境下線性回歸方程是成立的。

表7 驗證試驗條件及樣品編號表

表8 高溫老化回歸驗證結(jié)果表

表9 高濕熱老化回歸驗證結(jié)果表

表10 氙弧燈光照射老化回歸驗證結(jié)果表

4 結(jié)論

1)高溫、高濕熱及氙弧燈光照射3種人工加速老化因素對軟質(zhì)防彈衣的防彈性能影響可通過線性回歸方程進行較為準確的預(yù)測。

2)在70 ℃高溫老化條件下，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間增長有所下降，但都未跌過預(yù)設(shè)的安全值(495 m/s)下限，其變化趨勢可用線性回歸方程表達。進口材料受到高溫老化時間的影響變化非常小，而國產(chǎn)材料的性能隨老化時間增長下降趨勢較為明顯。使用國產(chǎn)材料制作的軟質(zhì)防彈衣應(yīng)盡可能避免在炎熱的夏季貯存在執(zhí)勤車輛中。

3)在高濕熱老化條件下，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間增長有所下降，但都未跌過預(yù)設(shè)的安全值(495 m/s)下限，其變化趨勢可用線性回歸方程表達。進口材料與國產(chǎn)材料的性能隨老化時間增長下降趨勢均較為明顯。無論哪種材料的軟質(zhì)防彈衣，都應(yīng)確保在全生命周期中防護芯片保護套的完整性。若發(fā)現(xiàn)保護套有破損，則防彈衣應(yīng)盡快停止使用。

4)在氙弧燈光照射老化條件下，進口材料與國產(chǎn)材料的防彈性能均隨著老化時間增長有明顯下降，其變化趨勢可用線性回歸方程表達。進口材料與國產(chǎn)材料的性能隨老化時間增長下降趨勢均較為明顯,經(jīng)過150 h后老化的彈道極限接近預(yù)設(shè)的安全值下限，故無論哪種材料的軟質(zhì)防彈衣，保護套在使用中均應(yīng)確保不能破損，防護芯片嚴禁在陽光下曝曬。

5)對比分析表明無論進口材料還是國產(chǎn)材料，氙弧燈光照射老化條件對防彈材料抗彈性能衰減影響最大，高濕熱老化條件次之，高溫老化條件相對最弱。

6)雖然人工加速老化試驗不能完全模擬軟質(zhì)防彈衣的實際使用狀態(tài)并準確地預(yù)測軟質(zhì)防彈衣使用壽命，但可觀察出不同使用環(huán)境條件對軟質(zhì)防彈衣防護性能的影響，這對科學(xué)合理地使用、貯存軟質(zhì)防彈衣具有參考價值。