超高分子量聚乙烯纖維防護(hù)機(jī)理研究綜述

莫根林，劉 靜，金永喜，閆文敏

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 3100182；2.江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.瞬態(tài)沖擊技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202)

1 引言

自第一次世界大戰(zhàn)以來，防彈衣成為單兵防護(hù)裝備的重要組成部分，在減少部隊(duì)作戰(zhàn)人員傷亡、提高單兵生存能力、增強(qiáng)作戰(zhàn)效能方面發(fā)揮著重要作用。高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有重量輕、防護(hù)性能高、無二次殺傷效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在軟體防彈衣和硬體防彈衣中獲得了廣泛應(yīng)用[1]。

纖維是高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要承載部分，它經(jīng)歷了從高強(qiáng)尼龍、高強(qiáng)玻璃纖維、碳纖維到芳綸、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等特種纖維的更新?lián)Q代過程。表1為各種纖維的靜態(tài)拉伸力學(xué)特性，UHMWPE纖維具有較高的斷裂伸長率(3.7%)，比強(qiáng)度是芳綸纖維的1.48倍，具有良好的能量吸收特性。同等面密度情況下，防彈能力比芳綸纖維抗彈復(fù)合材料高約25%[5-7]。在此背景下，通過研究UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料靶板的防護(hù)機(jī)理提高靶板的防護(hù)性能成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

表1 纖維的靜態(tài)力學(xué)特性[2-4]

2 UHMWPE纖維的力學(xué)性能

Kromm等[8]研究了應(yīng)變率為0.001～0.01 s-1時70～140 ℃溫度下SK75纖維束的力學(xué)特性；Huang[9]研究了UHMWPE纖維束在25 ℃、70 ℃下應(yīng)變率為300 s-1和700 s-1時的力學(xué)性能；Russell等[10]研究了應(yīng)變率為0.001～0.1 s-1時UHMWPE纖維束的力學(xué)特性；Koh等[11]采用Hopkinson桿研究了Spectra 900纖維束在應(yīng)變率為100～400 s-1左右時的力學(xué)性能；張華鵬[12]利用Hopkinson桿研究了SK65纖維束在應(yīng)變率為900 s-1時的力學(xué)性能和破壞模式，并利用弱環(huán)理論分析了纖維的強(qiáng)度分布特性；王庭輝等[13]采用Hopkinson桿測量了UHMWPE纖維在應(yīng)變率2 500 s-1左右時纖維束的力學(xué)性能。上述研究結(jié)果表明：UHMWPE纖維具有顯著的溫度效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和尺度效應(yīng)，即隨著溫度升高，纖維的彈性模量降低，70-140 ℃時其拉伸強(qiáng)度明顯降低；纖維的彈性模量隨應(yīng)變率的增加而降低；拉伸強(qiáng)度對低應(yīng)變率不敏感，對高應(yīng)變率敏感；纖維的斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加而降低；纖維束的拉伸強(qiáng)度只有纖維強(qiáng)度的1/3～1/2，延伸率卻比纖維的高2.7倍以上。

由于UHMWPE纖維是高度取向的各向異性材料，一些研究者對UHMWPE纖維其他非拉伸方向的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。Sun[14]研究了Spectra纖維的剪切-拉伸雙向靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果表明：隨著剪應(yīng)變增加，拉伸強(qiáng)度減小。Hudspeth等[15]研究了SK76纖維在剪切-拉伸作用下纖維的力學(xué)特性，結(jié)果表明：隨著拉應(yīng)力增加，纖維的剪切強(qiáng)度增加、失效應(yīng)變減小。Guo等[16]研究了SK76纖維的橫向靜態(tài)壓縮性能，利用Hopkinson桿研究其沖擊壓縮性能，結(jié)果表明：纖維在壓縮應(yīng)變小于50%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。

3 UHMWPE單向布的力學(xué)性能

按照預(yù)制體的結(jié)構(gòu)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可分為一維連續(xù)結(jié)構(gòu)、二維平面結(jié)構(gòu)和三維整體結(jié)構(gòu)；按照預(yù)制體的織造工藝，又可分為編織、機(jī)織、針織和縫合等類型。為避免纖維在織造過程中的強(qiáng)度損失，UHMWPE纖維主要以單向布或正交復(fù)合的單向布——無緯布(兩層單向布復(fù)合而成)作為復(fù)合靶板的組成單元。

曾慶敦[17]和李紅周等[18]總結(jié)歸納了經(jīng)典剪切滯后理論、鏈?zhǔn)浇y(tǒng)計(jì)模型、裂紋擴(kuò)展模型、蒙特卡洛模擬在單向復(fù)合材料中的應(yīng)用；Romanov等[19]、Ismail等[20-21]和Elnekhaily等[22]考慮單向布中纖維的不均勻分布特性，數(shù)值模擬研究了單向布的拉伸特性；Nazarian等[23]研究了無緯布的面內(nèi)剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，假設(shè)無緯布層內(nèi)由互補(bǔ)相連的筋板構(gòu)成，數(shù)值模擬分析了無緯布的剪切變形情況；宋娜[24]和韓學(xué)群[25]通過內(nèi)聚力單元法研究了準(zhǔn)靜態(tài)條件下無緯布層合板的層間分層現(xiàn)象；針對UHMWPE纖維表面非極性、與樹脂粘結(jié)性能較差的缺陷，肖干[26]、王成忠等[27]、黃獻(xiàn)聰[28]、邱軍等[29]分別采用低溫等離子表面處理、液相氧化-涂覆、電子束輻照和紫外接枝等工藝改善了UHMWPE纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能；劉術(shù)佳[5]和Neema等[30]則分別研究了微顆粒改性樹脂和納米改性樹脂對UHMWPE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。上述研究表明，單向布和無緯布的力學(xué)特性不僅和纖維、樹脂本身的力學(xué)特性有關(guān)，還和纖維與樹脂的結(jié)合界面、纖維布中纖維的分布特性等因素有關(guān)。

4 UHMWPE單向布復(fù)合靶板的力學(xué)性能

為達(dá)到相應(yīng)的防護(hù)性能要求，單向布或無緯布通常以復(fù)合靶板的形式使用，主要包括：軟防護(hù)靶板和硬質(zhì)層合板(以單層之間是否粘結(jié)區(qū)分)。按照研究手段的不同，它們抗侵徹機(jī)理的研究可分為實(shí)驗(yàn)研究，理論研究和數(shù)值模擬研究。

4.1 實(shí)驗(yàn)研究

對于軟防護(hù)靶板，Chocron等[31]研究了彈頭侵徹條件下單向布窄條和無緯布的變形運(yùn)動規(guī)律；Karthikeyan等[32]研究了UHMWPE單向布鋪層角度對防護(hù)性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[33-34]研究了UHMWPE改性樹脂基無緯布的拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和層間剝離強(qiáng)度；梁子青等[35]研究了基體含量對UHMWPE多層無緯布抗手槍彈侵徹性能的影響；高恒等[36]研究了UHMWPE纖維平紋織物與無緯布復(fù)合靶板的抗彈性能。Tan等[37]對比研究了平頭彈和尖頭彈侵徹Spectra單層無緯布的破壞模式。

對于硬質(zhì)層合板，L?ssig等[38]和Long等[39]通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得了UHMWPE層合板的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則；李思輝[40]通過落錘沖擊實(shí)驗(yàn)研究了不同鋪層角度UHMWPE層合板的能量吸收性能；張典堂等[41]通過落錘沖擊實(shí)驗(yàn)研究了UHMWPE層合板的破壞損傷模式和剩余壓縮強(qiáng)度；Yang等[42]和Karthikeyan等[43]分別研究了彈頭和球形破片侵徹層合板的破壞模式；Karthikeyan等[44]和王曉強(qiáng)等[45]分別研究了立方體破片侵徹性能隨層合板厚度和破片入射角度的變化規(guī)律；Tomasz等[46]對比研究了2種UHMWPE纖維層合板的變形破壞模型。Zhang等[47-48]對比研究了UHMWPE無緯布、二維平紋和三維正交復(fù)合材料的防彈性能、破壞模式和背板鼓包變形規(guī)律。張佐光等[49]，孫志杰等[50]和張大興等[51]研究了UHMWPE層合板彈道吸能隨面密度、彈速、成型壓力、樹脂基體含量的變化規(guī)律。

上述研究表明，侵徹條件下UHMWPE復(fù)合材料靶板會發(fā)生層間分層、層內(nèi)開裂、纖維拔出等物理現(xiàn)象；靶板的防護(hù)性能與眾多因素有關(guān)，包括樹脂的種類與含量、纖維的力學(xué)性能、纖維與樹脂的結(jié)合性能、靶板的結(jié)構(gòu)和尺寸、彈頭的外形和結(jié)構(gòu)、彈頭的入射角度和速度等。為獲得符合要求的靶板，設(shè)計(jì)者需要消耗大量的精力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為降低實(shí)驗(yàn)成本，研究人員從理論和數(shù)值模擬方面對靶板的防護(hù)機(jī)理進(jìn)行了研究。

4.2 理論研究

Navarro等[52]、Parga-Landa等[53]和Sánchez-Gálvez等[54]假設(shè)纖維為彈性材料，不考慮軟防護(hù)靶板的分層效應(yīng)，基于波的傳播理論建立了彈頭正侵徹單向布和平紋織物的理論模型；Phoenix等[55]考慮UHMWPE和Kevlar復(fù)合靶板的分層現(xiàn)象，建立了彈頭正侵徹復(fù)合靶板的理論模型；Long等[56]將彈頭侵徹靶板的物理過程分為剪切階段和背板鼓包階段，建立了彈頭侵徹靶板的彈道極限模型；Sánchez-Gálvez等[57]基于波傳播理論，分析了侵徹過程中靶標(biāo)主紗線、側(cè)紗線的變形能和動能、靶板的層間開裂和剪切沖塞效應(yīng)，建立了彈頭斜侵徹?zé)o緯布層合板的理論模型；Chocron Benloulo等[58]和莫根林等[59]基于彈塑性理論分析了復(fù)合材料背板的變形運(yùn)動，建立了彈頭侵徹陶瓷/復(fù)合材料靶板的理論模型?？傮w而言，這些彈道模型在一定程度上滿足了靶板防護(hù)性能的評估要求。由于模型通常沒有考慮彈頭材料以及靶板材料的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則，其適應(yīng)范圍有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 數(shù)值模擬研究

L?ssig等[38]和Long等[39]建立了球形破片侵徹UHMWPE無緯布層合板的宏觀有限元模型，分析了模型參數(shù)對彈道極限的影響規(guī)律；為進(jìn)一步分析靶板的纖維斷裂、滑移、抽拔等破壞現(xiàn)象，Utomo[60]采用索單元作為纖維束的近似單元，建立了單向布的細(xì)觀有限元模型；Barauskas等[61]在彈頭沖擊區(qū)域使用纖維和樹脂構(gòu)成的窄帶模型替代單向布真實(shí)結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域使用均質(zhì)正交各向異性殼單元替代單向布，實(shí)現(xiàn)了彈頭侵徹?zé)o緯布的多尺度模擬。卓星伯通過建立單向布的纖維束模型、均質(zhì)材料模型和兩者的混合模型，對比研究了彈頭侵徹單向布軟防護(hù)靶板的運(yùn)動規(guī)律。Chocron等[62-63]利用宏觀有限元模型和窄帶模型研究了彈頭侵徹多層單向布的運(yùn)動過程。Kudryavtsev等[64]建立了無緯布的窄帶模型，并通過數(shù)值模擬研究了彈頭侵徹多層無緯布的運(yùn)動過程。上述研究表明，有限元模型考慮了靶板的組織結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)特性，在彈道極限和靶板鼓包變形方面能夠獲得較好的模擬結(jié)果。然而，模型中的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則的相關(guān)參數(shù)通常與材料的加工處理過程有關(guān)，現(xiàn)有研究尚未有效揭示它們之間的定量關(guān)系。

5 結(jié)論

1)UHMWPE纖維具有比強(qiáng)度、比模量高的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代國防和高科技產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在防彈裝備上占據(jù)重要位置，具有極大的市場前景。

2)為設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的防護(hù)裝備，需要繼續(xù)在本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則方面探討UHMWPE纖維及其復(fù)合材料靶板的力學(xué)特性，拓寬現(xiàn)有研究成果的適用范圍，進(jìn)一步研究UHMWPE單向布復(fù)合靶板在復(fù)雜力學(xué)狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)和UHMWPE單向布復(fù)合靶板在侵徹條件下的破壞準(zhǔn)則，尤其是纖維的斷裂和靶板的分層鼓包準(zhǔn)則。

3)在優(yōu)化防彈裝備的過程中，不僅需要注意制備工藝的影響，還需要充分發(fā)揮其他先進(jìn)材料的優(yōu)點(diǎn)，通過UHMWPE纖維和這些材料的復(fù)合，制備出各方面性能均較為優(yōu)越的防護(hù)裝備。