防彈無緯布的研究概況

馬華菁 時(shí)娟娟 沈文東 曹海建 黃曉梅

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226400）

1 無緯布的概況

目前國(guó)內(nèi)外主流的無緯布是采用超高分子量聚乙烯（以下簡(jiǎn)稱UHMWPE）纖維或芳綸為基材，經(jīng)特種設(shè)備均勻鋪絲，用高強(qiáng)彈性體樹脂浸漬涂膠和薄膜黏合，再經(jīng)0°、90°雙正交復(fù)合層壓而成的高強(qiáng)、質(zhì)輕防彈材料，是制作高性能軟質(zhì)防彈衣的核心材料［1］。無緯布能夠快速吸收、擴(kuò)散子彈高速?zèng)_擊波，具有較好的防彈性能［2］。

當(dāng)織物受到子彈或彈片沖擊時(shí)，應(yīng)力波在織物內(nèi)部快速擴(kuò)散。機(jī)織物中紗線的交織點(diǎn)會(huì)反射應(yīng)力波并與入射波疊加，疊加后的應(yīng)力波會(huì)造成紗線斷裂，從而降低織物的防彈性能［3］。在沒有交織點(diǎn)的材料上，應(yīng)力波能夠快速消散，從而獲得較好的防彈效果。無緯布中紗線沒有真正的交織點(diǎn)，因此具有良好的防彈性能。

2 無緯布的成形工藝

目前，制備無緯布的形式主要有無緯布大批量生產(chǎn)線和輥筒式無緯布機(jī)兩種。國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)且應(yīng)用的是防彈無緯布間歇式生產(chǎn)裝置，由一名操作工利用單臺(tái)機(jī)器完成全部工序；實(shí)驗(yàn)室制備無緯布則大都采用輥筒式無緯布機(jī)。顧冰芳等人在無緯布機(jī)上壓制了UHMWPE無緯布疊層［4］20；李焱等人利用排布設(shè)備使UHMWPE紗線退繞后浸膠，經(jīng)卷繞成為單向纖維層，裁切后以0°、90°相互層疊并模壓制成了無緯布［5］7。

3 無緯布的力學(xué)性能

無緯布的力學(xué)性能包括拉伸、剝離、剪切等基本力學(xué)性能。

溫垚珂等人研究了無緯布準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的力學(xué)性能，以UHMWPE無緯布為研究對(duì)象進(jìn)行了一系列的力學(xué)試驗(yàn)［6］，結(jié)果表明：在拉伸過程中試件的應(yīng)力應(yīng)變基本呈線性變化，面內(nèi)剪切試件的力-位移曲線呈非線性變化。ZHENG Zhen等人采用T-剝離試驗(yàn)對(duì)UHMWPE纖維/SEBS的界面黏結(jié)性能進(jìn)行了測(cè)試［7］，結(jié)果表明：對(duì)于單膜和無膜無緯布復(fù)合材料，壓力的變化比溫度的變化更為顯著。LI Chen等人對(duì)UHMWPE纖維層合板進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試［8］，結(jié)果表明：層合板的力學(xué)性能對(duì)厚度不敏感，而層合板的彈性模量及強(qiáng)度都隨應(yīng)變速率的增加而增加。LINUS Gediminas對(duì)UHMWPE纖維層合板進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)［9］，結(jié)果表明：UHMWPE纖維層合板的拉伸有明顯的斷裂點(diǎn)和線性延伸性。RUSSELL B P等人采用壓電式力傳感器裝置對(duì)UHMWPE纖維層合板進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試［10］，結(jié)果表明：UHMWPE纖維層合板中纖維的破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變對(duì)應(yīng)變率幾乎不敏感，在低應(yīng)變率下，層合板中纖維的蠕變占主導(dǎo)，其破壞應(yīng)變隨著應(yīng)變率的降低而增加。劉元坤等人對(duì)芳綸無緯布進(jìn)行了剝離試驗(yàn)，測(cè)試了其層間黏合力［11］77，結(jié)果表明：纖維退繞張力與纖維強(qiáng)度損傷呈線性關(guān)系；認(rèn)為在制備時(shí)張力應(yīng)盡可能小，但同時(shí)也要保證無緯布的各項(xiàng)性能。

4 影響無緯布防彈性能的因素

影響無緯布防彈性能的因素主要包括纖維混雜、纖維的展絲寬度、成形溫度及壓力、樹脂含量、樹脂種類、面密度、層數(shù)等。

4.1 纖維混雜

無緯布中不同纖維的比例、混雜結(jié)構(gòu)對(duì)彈道沖擊下的防彈效率有著重要的影響。梅志遠(yuǎn)等人對(duì)3種層間混雜層合板的防彈效率及其橫向防彈模式進(jìn)行了研究［12］，結(jié)果表明：不同混雜結(jié)構(gòu)的纖維層存在吸能變形模式和防彈機(jī)理差異，且會(huì)影響不同混雜結(jié)構(gòu)防彈效率的發(fā)揮。

4.2 纖維的展絲寬度

纖維展開得越寬，越能發(fā)揮其防彈性能，利用率越高，但在實(shí)際生產(chǎn)中纖維被展開得越寬，需要的牽引力越大，對(duì)纖維的性能損傷也越大，從而會(huì)降低其防彈性能。因此，確定合理的展絲寬度對(duì)無緯布是十分重要的。方心靈等人研究了不同展絲寬度芳綸無緯布的防彈性能，結(jié)果表明：在彈速基本相同的情況下，芳綸展絲寬度在2.0cm～3.0cm時(shí)，無緯布的凹陷相對(duì)較小，穿透層數(shù)相對(duì)少，此時(shí)的靶片防彈性能較優(yōu)；但當(dāng)芳綸展絲寬度超過3.0cm時(shí)，靶片的防彈性能有所下降［13］。

4.3 成形溫度及壓力

成形溫度對(duì)無緯布的制備十分關(guān)鍵。由于無緯布在彈擊時(shí)的彈道吸能主要是依靠無緯布中的纖維拉伸破壞，因此在成形過程中不可損傷纖維強(qiáng)度，而成形溫度將直接影響材料中纖維的拉伸強(qiáng)度。例如UHMWPE纖維，該纖維中晶區(qū)與非晶區(qū)同時(shí)存在；當(dāng)成形溫度較高時(shí)，纖維中的晶區(qū)會(huì)轉(zhuǎn)化為非晶區(qū)，使纖維的結(jié)晶度降低，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。對(duì)于芳綸無緯布，劉元坤等人的研究表明：層間黏合力隨著溫度的增加先升高后降低，當(dāng)層間黏結(jié)力在20 N時(shí)，芳綸無緯布的防彈性能最佳，復(fù)合處的最佳工藝溫度為80℃［11］79。

成形壓力對(duì)于無緯布防彈性能的影響也較為突出。對(duì)于UHMWPE無緯布靶板，孫志杰等人對(duì)不同成形壓力的無緯75靶板進(jìn)行彈道測(cè)試［14］，結(jié)果表明：成形壓力在2.5 MPa以下，纖維層間的黏合強(qiáng)度不夠，壓力越小，分層越嚴(yán)重，吸能越小；當(dāng)壓力升高到一定程度后，層間比較緊密，纖維與樹脂之間作用增強(qiáng)，有利于應(yīng)力波的傳播，隨著壓力的升高，吸能增大；當(dāng)壓力達(dá)到12.5 MPa時(shí)，此時(shí)靶板的彈道性能最好；此后，隨著壓力的增大，樹脂開始向?qū)娱g滲透，致使靶板剛度提高，參與拉伸的纖維減少，剪切破壞的纖維增多，吸能下降。方心靈等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳綸無緯布的成形壓力為1 MPa時(shí)，其防彈性能較差，當(dāng)壓力提高到4 MPa時(shí)，靶板的防彈性能提高，當(dāng)壓力超過5 MPa時(shí)，靶板的防彈性能明顯下降［15］22。

4.4 樹脂含量

樹脂的含量影響著復(fù)合材料的防彈性能。樹脂含量太低，不能夠很好地被覆纖維，纖維較松散，且纖維層間黏接強(qiáng)度過低，在子彈的高速?zèng)_擊下纖維易滑移，導(dǎo)致參與防彈的有效纖維減少，從而降低復(fù)合材料的防彈性能［16］。

方心靈等人對(duì)30層芳綸無緯布進(jìn)行彈道測(cè)試，結(jié)果表明：當(dāng)無緯布樹脂含量在15%～25%時(shí)，樹脂能夠很好地被覆纖維，纖維間黏合較好，層與層之間的強(qiáng)度也較高，在受到子彈沖擊時(shí)纖維和樹脂協(xié)同作用較好，靶片整體防彈能力較高；當(dāng)樹脂含量低于15%時(shí)，樹脂不能很好地被覆纖維，纖維層間黏合較差，纖維間束縛力過小，在受到子彈沖擊時(shí)纖維易被子彈擠向兩邊，子彈從纖維孔隙穿過，層間力較小也使靶片容易分層，防彈性能較差；當(dāng)樹脂含量高于25%時(shí)，纖維排列有序且外觀平整，但較高的樹脂含量束縛了纖維拉伸性能的發(fā)揮，纖維脆化，纖維層間剝離強(qiáng)度過大，當(dāng)受到子彈沖擊時(shí)纖維會(huì)大量剪切斷裂，從而降低了靶片的防彈性能［15］23。

陳磊等研究發(fā)現(xiàn)，防彈材料中所用樹脂含量一般在30%以下［17］。方心靈等人的研究也表明：當(dāng)樹脂含量為20%左右時(shí)，芳綸無緯布的防彈性能最好［13］41。

李焱等人制備了不同含膠量的水性聚氨酯/UHMWPE纖維無緯布，測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)無緯布中樹脂含量在24%左右時(shí)，其防彈性能達(dá)到最大值，樹脂含量繼續(xù)增加，其防彈性能下降［5］7。

4.5 樹脂種類

樹脂對(duì)防彈無緯布的作用在行業(yè)內(nèi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。樹脂將纖維黏結(jié)在一起，使無緯布作為一個(gè)整體承受外部載荷，將能量從靶板上表面?zhèn)鞯较卤砻妗淖钋岸藗鞯阶钅┒?；在子彈的沖擊下，樹脂會(huì)產(chǎn)生裂紋，吸收小部分子彈能量和彈體動(dòng)能［18］。

對(duì)于不同的增強(qiáng)體，所用樹脂要求不同。UHMWPE纖維無緯布所用樹脂要求：一是能提高界面黏合力，具有良好的浸潤(rùn)性；二是固化溫度不能高于120℃，這是由于UHMWPE在熔點(diǎn)150℃以上處于橡膠態(tài)，延展性差，受力易斷裂，對(duì)無緯布的防彈性能影響較大，且樹脂所用的溶劑必須低毒、易揮發(fā)［19］。

對(duì)于芳綸無緯布，方心靈等人研究了樹脂組成和化學(xué)用途，對(duì)比了不同樹脂復(fù)合而成靶片的V 50值［20］，結(jié)果表明：苯乙烯一異戊二烯一苯乙烯共聚物的V 50值高于氫化苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值。

4.6 面密度

周慶等人采用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合制備了系列無緯布［21］2246，防彈性能測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)相近的靶片，其防彈性能隨著單層面密度的增大呈現(xiàn)整體上升、局部波動(dòng)的趨勢(shì)。陳虹等人制備了不同面密度的芳綸無緯布靶片，測(cè)試了其V 50值以及相應(yīng)的比吸能值［22］，結(jié)果表明：隨著無緯布面密度的降低，相應(yīng)靶片的比吸能值先增大后減小，當(dāng)靶片面密度為210 g/m2時(shí)，防彈性能最好。

顧冰芳等人對(duì)不同層數(shù)的UHMWPE無緯布靶板進(jìn)行了彈道性能測(cè)試［4］22，結(jié)果表明：隨著面密度的增加，靶板的抗侵徹性能也隨之提升，但不同的彈道性能指標(biāo)與面密度的關(guān)系不同，彈道極限速度與靶板面密度基本呈線性關(guān)系；彈道吸能值與靶板面密度呈二次拋物線關(guān)系。

4.7 層數(shù)

靶片的防彈性能受無緯布層數(shù)的影響。層數(shù)越多，其纖維的數(shù)量也就相對(duì)越多，當(dāng)靶片受到子彈沖擊時(shí)，穿透的無緯布通過纖維斷裂、布樣分層消耗子彈的沖擊能量，同時(shí)未穿透的無緯布起到了能量分散的作用［23］。

5 無緯布的防彈機(jī)理

無緯布的防彈機(jī)理研究主要包括無緯布的抗侵徹貫穿特性、材料的防彈機(jī)理等。

周慶等人研究了對(duì)位芳香聚酰胺纖維環(huán)氧樹脂層合板［21］2236，結(jié)果表明：4層單向結(jié)構(gòu)片材的彈道性能優(yōu)于兩層單向結(jié)構(gòu)片材，主要是因?yàn)?層單向結(jié)構(gòu)片材中纖維層之間協(xié)同效應(yīng)更強(qiáng)。

熊杰等人對(duì)PVA無緯布靶板進(jìn)行了彈道性能測(cè)試，結(jié)果表明：靶板沖擊穿孔以后產(chǎn)生大的殘留變形，出現(xiàn)明顯分層，在子彈速度接近靶板的彈道極限速度時(shí)，PVA無緯布靶板以塑性大變形、分層和纖維斷裂來吸收能量；錐形彈體在侵徹過程中，周圍的纖維與樹脂受擠壓而產(chǎn)生變形；與彈體表面接觸或靠近錐體表面的纖維以及靶板背面鼓凸區(qū)域的纖維均隨著彈體的侵徹而被拉伸；纖維斷裂前，應(yīng)力沿著纖維向外傳遞，使纖維與樹脂脫黏；由于纖維顏色比樹脂顏色淺，從而形成一個(gè)“十”字形向外延伸的泛白區(qū)域［24］。

王緒財(cái)?shù)热搜芯苛薝HMWPE無緯布在多彈丸作用下的彈道性能、結(jié)構(gòu)損傷和變形破壞特征，結(jié)果表明：經(jīng)多發(fā)子彈侵徹后，靶片的防彈能力明顯下降，且分散性隨之變大；結(jié)構(gòu)緊密的樣品對(duì)彈丸產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)疏松樣品產(chǎn)生的阻力［25］。

VAN Der Werff等人測(cè)試了UHMWPE無緯布的彈道性能，認(rèn)為穿透機(jī)制是一個(gè)漸進(jìn)的過程。穿透的無緯布片數(shù)和彈片沖擊速度之間存在線性關(guān)系，當(dāng)彈片穿透一層無緯布時(shí)會(huì)損失一定量的沖量，而不是能量，且彈片沖量的損失與彈片在無緯布上的沖擊速度無關(guān)［26］。

TOMASZ Cwik等人對(duì)芳綸無緯布、UHMWPE無緯布進(jìn)行了彈道性能測(cè)試，結(jié)果表明：在沖擊時(shí)彈片不會(huì)影響無緯布的面內(nèi)響應(yīng)，但會(huì)影響面外響應(yīng)；芳綸無緯布靶板的前表面在彈丸穿透過程中經(jīng)歷了小于1%的拉伸應(yīng)變；靶板背面的初級(jí)和次級(jí)紗線受到的應(yīng)變不超過2%，且與沖擊速度無關(guān)；芳綸無緯布靶板的剪切變形大約是UHMWPE無緯布靶板的兩倍［27］。

TAYLOR J W和MORYE S S等人提出了相似的柔性層合板彈道沖擊吸能分析模型，認(rèn)為柔性層合板在彈道沖擊下，在沖擊點(diǎn)附近會(huì)形成錐形區(qū)，層合板的彈道吸能主要由纖維的拉伸斷裂應(yīng)變能、纖維層的變形動(dòng)能組成［28-29］。

焦亞男等人、楊坤等人發(fā)現(xiàn)高速鋼芯彈侵徹纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料裝甲板是逐層侵徹破壞的，裝甲板的破壞方式主要為迎彈面纖維剪切沖塞、中部纖維拉伸后斷裂、背彈面纖維拉伸并伴隨分層和背凸［30-31］。

楊麗麗等人研究了UHMWPE層合板的抗侵徹性能與靶板厚度的關(guān)系，認(rèn)為隨著靶板厚度的增加，其吸能也隨之增加，但有一個(gè)拐點(diǎn)；在拐點(diǎn)之后，靶板厚度的增加反而使靶板吸能降低，也即防彈性能變差；通過測(cè)試0.4cm、0.6cm和0.8cm的靶板抗侵徹性能，認(rèn)為0.6cm是靶板厚度拐點(diǎn)，此時(shí)靶板的抗侵徹性能最優(yōu)［32］。

6 相關(guān)防彈標(biāo)準(zhǔn)

與無緯布軟質(zhì)防彈材料相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)的NIJ 0101.06《防彈服防彈性能》和我國(guó)的GA 141—2010《警用防彈衣》、GJB 4300A—2012《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》［33-34］。美標(biāo)和國(guó)標(biāo)在防護(hù)等級(jí)、槍彈類型、子彈速度以及凹陷深度等方面有差異。

美國(guó)的NIJ 0101.06按照防彈性能水平，對(duì)防彈服分5種類型，分別為ⅡA型、Ⅱ型、ⅢA型、Ⅲ型和Ⅳ型。其中，最常用的為ⅢA型，所用的槍彈類型為9 mm 0.357 SIG手槍全金屬外殼平頭（FMJ FN）槍彈，彈速為448 m/s，或0.44 Magnum轉(zhuǎn)輪手槍半外殼空心頭（SJHP）槍彈，彈速為436 m/s。要求最大凹陷深度不大于44 mm，每種威脅情況背襯凹陷深度超過44 mm的幾率小于20%，可信度達(dá)到95%。

GA 141—2010按防護(hù)要求將防彈衣分為6個(gè)等級(jí)，分別為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)、6級(jí)。其中，2級(jí)和3級(jí)最常用。2級(jí)的槍彈類型為1951年式7.62 mm鉛芯手槍彈，彈速為445 m/s；3級(jí)所用槍彈類型為1951年式7.62 mm輕型沖鋒槍彈，彈速為515 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。GJB 4300A—2012根據(jù)不同彈道防護(hù)性能要求，將軍用防彈衣防護(hù)等級(jí)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。其中，最常用的是Ⅱ級(jí)，所用的槍彈類型為1951年式7.62 mm鉛芯手槍彈，彈速為445 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。

7 結(jié)語

本研究從無緯布的制備、力學(xué)性能、防彈性能、防彈機(jī)理以及防彈標(biāo)準(zhǔn)等方面介紹了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無緯布及其制品的研究概況，希望為從事無緯布及防彈衣研發(fā)的科研工作者提供技術(shù)參考和研發(fā)思路。從國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究中也可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)無緯布及防彈衣仍有一些領(lǐng)域需要探究。首先，已有的研究大多集中在宏觀力學(xué)層面上，難以準(zhǔn)確地反映無緯布的細(xì)觀損傷行為，因此需要建立無緯布細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)模型。其次，需要研制相關(guān)測(cè)試儀器，以便于深入測(cè)試和分析無緯布的彈道損傷機(jī)理及能量吸收機(jī)制，為優(yōu)化無緯布的性能提供理論指導(dǎo)。