三維正交機(jī)織復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的防彈性能分析研究

劉元坤，李年華，陳虹，艾青松，姜聯(lián)東

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京航天航天雷特機(jī)電工程有限公司，北京 100074)

0 引言

個(gè)體防護(hù)裝備是為執(zhí)行特殊任務(wù)的軍警人員提供生命防護(hù)的具有特定功能的組合裝備[1-4]。在國際形勢(shì)風(fēng)云變幻的時(shí)代背景下，個(gè)體防護(hù)裝備的發(fā)展日新月異，目前防彈類的個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品主要有防彈衣、防彈頭盔、防彈插板、防彈盾牌以及防彈裝甲等[5-6]。為了更好地發(fā)展個(gè)體防護(hù)裝備以適應(yīng)任務(wù)執(zhí)行人員的實(shí)際需求，高防護(hù)性能必不可少，新材料的開發(fā)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是防彈裝備未來發(fā)展的重要方向[7-9]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料和設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)原料進(jìn)行防彈靶板的制備，所用原料信息見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料信息

主要試驗(yàn)設(shè)備：劍桿織機(jī)，由上海東華大學(xué)紡織學(xué)院自行改造的劍桿織機(jī)；真空設(shè)備以及附件，包括真空泵、真空鍋、真空膜和導(dǎo)流管等。

1.2 防彈復(fù)合材料的制備

以不飽和樹脂(乙烯基樹脂)為基體，通過真空輔助樹脂傳遞模壓法進(jìn)行復(fù)合材料的制備。具體制備過程為：

(1)纖維織物織造，并將纖維織物填充在密封的模腔中。

(2)利用真空壓力使液態(tài)樹脂注入模腔浸潤(rùn)纖維，并用真空膜封住上表面。

(3)固化成型得到最后產(chǎn)品。

真空輔助樹脂傳遞模壓法復(fù)合材料成型工藝如圖1所示。將成型后的三維正交機(jī)織復(fù)合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm，厚度為1.5 cm；玄武巖纖維層壓復(fù)合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm，厚度為0.5 cm。

圖1 真空輔助樹脂傳遞模壓法復(fù)合材料成型工藝圖

1.3 彈道實(shí)驗(yàn)測(cè)試

彈道實(shí)驗(yàn)是在中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所彈道實(shí)驗(yàn)室完成，靶前測(cè)速點(diǎn)距靶板距離3.4 m，彈體垂直于靶體平面貫穿復(fù)合材料靶板。彈體是56式7.62 mm鋼芯穿甲燃燒彈，質(zhì)量是7.69 g，直徑是7.62 mm，子彈的速度通過裝藥量加以控制和改變。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彈道測(cè)試結(jié)果

對(duì)制備所得三維正交機(jī)織復(fù)合材料和玄武巖纖維層壓復(fù)合材料防彈靶體分別進(jìn)行5次鋼芯彈的實(shí)彈沖擊試驗(yàn)。彈體的速度為300～800 m/s，彈速通過調(diào)整彈藥量進(jìn)行控制。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)子彈穿出復(fù)合材料靶體后基本沒有變形，忽略子彈的變形和散失的熱量，認(rèn)為子彈動(dòng)能的損失就是復(fù)合材料靶體所吸收的能量。子彈的動(dòng)能損失計(jì)算公式如下：

(1)

其中，mp為子彈的質(zhì)量(kg)，Vs為子彈的入射速度，Vr為子彈穿靶后的剩余速度。

根據(jù)打靶測(cè)試得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料防彈靶板的入射速度—剩余速度曲線如圖2所示。

圖2 入射速度—剩余速度曲線

根據(jù)靶板入射速度—剩余速度曲線關(guān)系得到彈道測(cè)試的靶前速度和靶后速度，并通過式(1)計(jì)算得到彈體穿透靶板過程中的動(dòng)能損失，進(jìn)而得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測(cè)試結(jié)果。

三維正交復(fù)合材料的彈道測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 三維正交復(fù)合材料的彈道測(cè)試結(jié)果

玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道測(cè)試結(jié)果

2.2 彈道防護(hù)性能衡量指標(biāo)

2.2.1 總能量吸收(Ea)

根據(jù)能量守恒，靶板的總能量吸收值即彈體在穿透靶板過程中的能量損失值，即Ea=Ek。

(2)

2.2.2 比吸能值

比吸能值即靶板單位面密度上的能量吸收值，是評(píng)估材料防彈性能的一個(gè)重要指標(biāo)。它是靶板吸收能量與靶板面密度之比，其數(shù)值的大小代表著材料防彈性能的好壞[10]。比吸能計(jì)算公式如下：

BPI=Ea/AD

(3)

式中：AD——靶板的面密度。

2.2.3 靶板單位厚度的能量吸收Eh

假設(shè)彈體吸收的能量都是被靶板吸收，靶板吸收的能量全部被厚度方向上的材料吸收所得出的相應(yīng)的理論計(jì)算值。計(jì)算公式如下：

Eh=Ea/h

(4)

式中：h——靶板的厚度。

2.2.4 彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)彈道測(cè)試結(jié)果，并通過各項(xiàng)彈道防護(hù)性能衡量指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)一步計(jì)算得到三維正交復(fù)合材料與玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

三維正交復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 三維正交復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 玄武巖纖維層壓復(fù)合材料的彈道性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.3 結(jié)果分析與討論

2.3.1 纖維復(fù)合材料防彈機(jī)理

傳統(tǒng)的彈道理論認(rèn)為[11-14]，織物對(duì)彈體的抗沖擊性是因?yàn)榭椢镂樟藦楏w沖擊的動(dòng)能。彈體沖擊靶板后將產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿著纖維的軸向傳播，能量吸收速率是波速的函數(shù)，而波速根據(jù)單紗法向彈道沖擊理論，子彈法向沖擊紗線時(shí)，縱波波速：

(7)

其中E為高應(yīng)變率下的彈性模量，ρ為紗線體積密度。

由此得出，要產(chǎn)生較高的波動(dòng)速率，需要纖維有較高的模量。但并不是纖維的模量越高就越好，模量的不斷提高會(huì)逐漸增強(qiáng)纖維的脆性，最終降低對(duì)應(yīng)變能量的吸收。玄武巖纖維的模量遠(yuǎn)高于芳綸和玻璃纖維，在彈體沖擊的過程中不能及時(shí)進(jìn)行能量的傳遞、吸收和釋放，使得玄武巖纖維層壓復(fù)合材料靶板的各項(xiàng)彈道性能指標(biāo)均低于三維正交機(jī)織復(fù)合材料[15-18]。因此，防彈材料除了具有一定的模量之外，還要有較好的延伸率、斷裂韌性、高比強(qiáng)度，并且能在高應(yīng)變率下保持好的性能。

防彈材料由傳統(tǒng)金屬材料不斷向纖維發(fā)展的重要原因不僅在于輕量化，還因纖維材料對(duì)于能量的吸收和緩沖效果也十分優(yōu)異。纖維受到?jīng)_擊時(shí)，若纖維的縱軸向垂直于彈體的入射方向，則纖維受沖擊載荷的瞬間產(chǎn)生的壓力波沿纖維縱軸向傳播，達(dá)到纖維的末端后又變?yōu)槔觳ǚ瓷浠貋?。此時(shí)，拉伸波沿著軸向向彈著點(diǎn)移動(dòng)，從而帶動(dòng)同一方向上物質(zhì)流動(dòng)，纖維所受的拉應(yīng)變的大小是跟沖擊速度相關(guān)的，并且連續(xù)來回反射的應(yīng)力波擴(kuò)大了拉應(yīng)變，拉應(yīng)變?cè)龃缶驮黾永w維對(duì)能量的吸收值。此外，纖維受沖擊時(shí)，應(yīng)力波還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿著軸向垂直方向的傳播，其運(yùn)動(dòng)方向和彈體的前進(jìn)方向一致，沿著纖維的橫向傳播，橫向波產(chǎn)生的應(yīng)變超過纖維的屈服點(diǎn)就會(huì)使纖維產(chǎn)生斷裂破壞。纖維斷裂后發(fā)生原纖化，原纖化作用進(jìn)一步消耗彈體的能量。如果彈體仍具有多余的動(dòng)能，則進(jìn)一步發(fā)生侵徹直至彈體動(dòng)能完全被消耗掉。若靶板較薄，則它被彈體穿透。

2.3.2 不同紡織結(jié)構(gòu)形式對(duì)防彈性能的影響

根據(jù)表2和表3的彈道測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三維正交機(jī)織復(fù)合材料的能量吸收值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玄武巖纖維層壓復(fù)合材料，二者不同的織物空間結(jié)構(gòu)是其中重要的影響因素[19-21]。

三維正交機(jī)織物經(jīng)向和緯向紗束在平面內(nèi)垂直交織或排列，以提供復(fù)合材料的面內(nèi)性能，而貫穿于結(jié)構(gòu)厚度方向上的Z向接結(jié)紗束則提供材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于厚度方向上增強(qiáng)纖維的存在，將增加復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度，減少分層現(xiàn)象，提高織物的抗沖擊性能以及彎曲疲勞性能。三維正交機(jī)織物的理想結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。經(jīng)紗、緯紗和Z向紗三個(gè)系統(tǒng)上的紗線均相互兩兩垂直，各個(gè)紗線之間沒有任何的纏結(jié)和卷曲，經(jīng)向和緯向紗線在平面內(nèi)成垂直排列，而層壓復(fù)合材料由于織物組織使得經(jīng)緯向纖維相互交織，限制了纖維束的側(cè)向移動(dòng)能力[22,23]。因此，在高速?zèng)_擊下，層壓復(fù)合材料的防彈性不如三維正交立體結(jié)構(gòu)，主要在于層壓復(fù)合材料不能夠提供更大的抗彎剛度，在厚度方向上也沒有維持面與面之間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致厚度方向上的彎曲變形撓度大，更容易產(chǎn)生變形破壞。盡管層壓到一定程度后，復(fù)合材料有一定的厚度，但是這個(gè)厚度和三維立體結(jié)構(gòu)的厚度不同，因?yàn)槿S立體在厚度上一個(gè)整體，而層壓復(fù)合材料是層壓形成的，在受到高速?zèng)_擊的彈體時(shí)，束縛的結(jié)構(gòu)不利于應(yīng)力波的來回傳播，從而降低了它的防彈性能。

圖3 三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 樹脂基體對(duì)防彈性能的影響

復(fù)合材料的防彈機(jī)理以及吸能機(jī)制與傳統(tǒng)防彈材料的存在著很大區(qū)別，主要在于復(fù)合材料中引入了基體，而基體必須能與纖維一同伸長(zhǎng)、斷裂，才能使復(fù)合材料最大限度地吸收彈體的沖擊能量。因此，基體必須具有較高的斷裂延伸率，還必須具有一定的阻燃性能。因?yàn)槲漳芰康倪^程，也是材料溫度升高的過程，所以基體材料的選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及制備工藝技術(shù)等對(duì)復(fù)合材料的防彈性能影響很大。

對(duì)于抗高速?zèng)_擊的防彈復(fù)合材料，樹脂基體的選擇以及配比工藝顯得尤為重要。樹脂基體不同，能量吸收能力是不一樣的，并且差別很大。樹脂基體在復(fù)合材料中所起的作用，主要有三個(gè)[24-28]：

(1)粘結(jié)原料：將纖維粘結(jié)在一起，使復(fù)合材料作為一個(gè)整體承受外部載荷。

(2)反射應(yīng)力波：將能量由上表面?zhèn)鬟f至下表面、從最前端傳遞到最末端，起到反射應(yīng)力波的作用。

(3)能量吸收：基體在高速?zèng)_擊下產(chǎn)生裂紋，并且沿著平面擴(kuò)展，從而吸收部分的能量。

另外，在其他因素一定的情況下，隨著復(fù)合材料樹脂基體厚度的增加，材料的沖擊防護(hù)能力也隨著增強(qiáng)，沖擊阻抗也就隨之提高。

3 結(jié)語

本研究制備得到三維正交機(jī)織復(fù)合材料和玄武巖纖維層壓復(fù)合材料，纖維復(fù)合防彈材料能夠很好傳遞和釋放彈體沖擊動(dòng)能。其中，三維正交機(jī)織復(fù)合材料的能量吸收值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玄武巖纖維層壓復(fù)合材料，其貫穿于結(jié)構(gòu)厚度方向上的Z向紗束為防彈復(fù)合材料提供了整體穩(wěn)定性，增加了層間剪切強(qiáng)度，減少了分層現(xiàn)象，同時(shí)具備更大的抗彎剛度，因此防彈性能更加優(yōu)異。