混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料防彈性能研究

李偉萍， 龍知洲， 陳珺嫻， 張華， 馬天

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院， 北京 100010)

0 引言

頭盔是戰(zhàn)場上保障士兵生命、提高作戰(zhàn)效能的重要裝備。更輕的盔體質(zhì)量、更高的防護性能是防彈頭盔追求的理想目標(biāo)。混雜結(jié)構(gòu)作為可同時實現(xiàn)輕量化和防護性能提升的關(guān)鍵技術(shù)途徑，成為盔體材料技術(shù)發(fā)展的趨勢。目前，防彈頭盔的主要防護材料為對位芳綸、超高分子量聚乙烯、雜環(huán)芳綸等。近年來，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，共聚雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維(芳綸Ⅲ)、高強高模聚酰亞胺纖維等材料已開始進入防彈領(lǐng)域，同時還出現(xiàn)了超高分子量聚乙烯膜等新型防彈材料。這些新材料為混雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了更多的可能。

混雜結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)彈道沖擊中材料厚度方向上各部位的受力特點，采用不同性能材料，在發(fā)揮自身性能的同時，協(xié)同提升復(fù)合結(jié)構(gòu)整體防彈性能。Bandaru等將芳綸纖維、碳纖維及玻璃纖維兩兩組合，并對鋪層順序進行設(shè)計，結(jié)果表明，在混雜復(fù)合材料厚度一定的條件下，混雜順序?qū)Ψ缽椥阅苡绊戯@著，將芳綸纖維織物與碳纖維織物組合抗沖擊性能最佳，高應(yīng)變的芳綸纖維置于后部，高剛性的碳纖維與玻璃纖維置于前部搭配最佳。Tomasz通過對Dyneema和Spectra兩種材料復(fù)合的20多種層壓板彈道性能的測試，表明高性能復(fù)合材料與較低性能材料混雜，可在有效降低成本的同時得到與高性能復(fù)合材料相似的性能。

本文根據(jù)國產(chǎn)對位芳綸Ⅱ和高性能高成本的芳芳綸Ⅲ纖維力學(xué)性能特點，設(shè)計制備了7種不同混雜比例的復(fù)合材料，每種混雜比例有芳綸Ⅲ為迎彈面或背彈面兩種鋪層順序。采用1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片、51式7.62 mm鉛芯彈等對不同混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行性能測試，研究了鋪層順序、混雜比例對抗沖擊性能和防彈性能等的影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由芳綸Ⅱ織物/聚乙烯醇縮丁醛改性酚醛(簡稱芳綸Ⅱ復(fù)合材料)、芳綸Ⅲ織物/聚乙烯醇縮丁醛改性酚醛(簡稱芳綸Ⅲ復(fù)合材料)通過不同的混雜方式模壓而成，共有7種混雜結(jié)構(gòu)，如表1、表2、表3所示。每一種混雜結(jié)構(gòu)分為兩種鋪層順序，如圖1所示，芳綸Ⅲ為迎彈面或背彈面。

表1 纖維基本性能Table 1 Basic properties of the fibers

表2 復(fù)合材料基本性能Table 2 Basic properties of composite materials

表3 混雜比例設(shè)計Table 3 Hybrid ratio design

圖1 迎彈面、背彈面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the impact/back surface

1.2 測試方法

1.2.1 抗沖擊性能測試

抗沖擊性能測試用于測試層壓板的性能。制備100 mm×100 mm×3.5 mm的層壓板平板，在美國Instron公司生產(chǎn)的Dynatup 9250HV落錘沖擊試驗機上進行沖擊實驗，選擇直徑為12.7 mm的半球形錘頭，通過內(nèi)環(huán)直徑為40 mm的氣動夾具將試樣四角固定，改變落錘的速度或高度可以獲得不同的沖擊能量，本測試沖擊能量固定為200 J，通過數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)記錄實驗數(shù)據(jù)并獲得沖擊響應(yīng)曲線。

1.2.2 防彈性能測試

防彈性能測試用于測試層壓板和防彈頭盔的性能。采用1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片和彈速為445 m/s±10 m/s的51式7.62 mm鉛芯彈對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板(尺寸為500 mm×500 mm，面密度約為8.12～8.17 kg/m)、防彈頭盔(面密度約為8.13～8.19 kg/m)進行防彈性能測試。計算試樣彈道極限(一定面密度下，受試樣品形成穿透概率為50%的著靶速度)、比能量吸收(SEA)值，通過卡尺測量防彈頭盔彈著點彈痕高度(彈頭被受試樣品阻斷后，在背彈面留下的永久變形量)，并采用高速攝影設(shè)備對子彈入射頭盔的過程進行捕捉，觀察頭盔的變形情況。

1.2.3 環(huán)境適應(yīng)性測試

環(huán)境適應(yīng)性測試用于測試防彈頭盔環(huán)境適應(yīng)性。參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5115A—2012軍用防彈頭盔安全技術(shù)性能要求，試樣經(jīng)高溫、低溫、浸漬、鹽霧、太陽輻射環(huán)境處理后，進行防彈性能測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板性能

2.1.1 不同混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗沖擊性能

在低速沖擊下，根據(jù)孫穎等的研究成果，僅研究芳綸Ⅲ復(fù)合材料為迎彈面時，芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板抗沖擊性能的影響。采用落錘沖擊試驗機對表3中不同混雜比例的復(fù)合材料層壓板進行沖擊測試。圖2為 C2組混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)200 J能量沖擊后的正面、背面形貌。由圖2可知，復(fù)合材料未被穿透，僅產(chǎn)生凹陷，正面凹陷處復(fù)合材料表面出現(xiàn)褶皺。表明復(fù)合材料受到?jīng)_擊后纖維被牽伸變形，樹脂開裂使復(fù)合材料內(nèi)部分層，沖擊的能量對纖維做功，使纖維變形及分層，吸收該部分動能。C1、C3～C7組復(fù)合材料沖擊后的正面、背面形貌與C2組基本相同。

圖2 C2組混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊后正、背面形貌Fig.2 Front and back morphologies of the hybrid composites in group C2 after impact

圖3為芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗沖擊性能影響。由圖3可知：隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加，復(fù)合材料層壓板的沖擊最大載荷隨之增加，增長率最大達22.9%；復(fù)合材料層壓板的最大撓度隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料質(zhì)量含量的增加而減小，最大可縮減22.1%。最大載荷是指復(fù)合材料層壓板受到?jīng)_擊這一過程中承載的最大負荷，最大撓度是指落錘在垂直于其軸線方向的最大線位移。落錘沖擊復(fù)合材料時，落錘攜帶的能量一部分被復(fù)合材料吸收，另一部分被反彈而消耗。吸收的這部分能量使織物中纖維發(fā)生拉伸破壞，并伴隨著纖維從樹脂基體中拔脫，使基體與纖維間界面失效，此外，還會使樹脂基體開裂導(dǎo)致復(fù)合材料分層。試樣中的樹脂基體含量、種類相同，且兩種織物與樹脂的剪切強度相差不大，因此，纖維力學(xué)性能的差異是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因。由表1可知，芳綸Ⅲ纖維的拉伸強度、模量分別比芳綸Ⅱ高14.2%、24.3%，其產(chǎn)生變形與斷裂所需能量更高，因此芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加使復(fù)合材料層壓板能量吸收值提高，最大載荷值隨之增大。芳綸Ⅲ纖維模量較高，吸收同等能量時，比芳綸Ⅱ纖維產(chǎn)生的應(yīng)變小，因此芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加使復(fù)合材料層壓板沖擊最大撓度減小。

圖3 芳綸Ⅲ含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗沖擊性能影響Fig.3 Effect of different aramid Ⅲ content on the impact resistance performance of hybrid composites

圖4為芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊最大載荷時間(達到最大載荷時所用的時間)的影響。由圖4可知，隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加，混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大載荷時間逐漸降低。表明芳綸Ⅲ纖維對力的響應(yīng)時間較芳綸Ⅱ快，即同一時間內(nèi)，芳綸Ⅲ纖維比芳綸Ⅱ吸收的能量更多。

圖4 芳綸Ⅲ含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最大載荷時間的影響Fig.4 Effect of different aramid Ⅲ content on maximum load time of hybrid composites

2.1.2 不同混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料防彈性能

圖5為不同芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片測試結(jié)果。由于混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板面密度基本一致，所以結(jié)果分析時忽略面密度對防彈性能的影響。無論芳綸Ⅲ復(fù)合材料在迎彈面或背彈面，混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板的均隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加而提高，其曲線趨勢為起初提升速度較大，質(zhì)量含量超過30%時，提升速度明顯趨緩。當(dāng)芳綸Ⅲ復(fù)合材料質(zhì)量含量超過70%以上時，彈道極限提升不明顯。對于具有相同芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，當(dāng)芳綸Ⅲ位于迎彈面時，復(fù)合材料防彈最高，這一現(xiàn)象在芳綸Ⅲ復(fù)合材料質(zhì)量含量為30%～70%時最為明顯。這是因為迎彈面以剪切壓縮作用為主，背彈面以壓縮拉伸為主，芳綸Ⅲ纖維比芳綸Ⅱ纖維模量高，力學(xué)性能更為優(yōu)異，在迎彈面一側(cè)發(fā)生剪切壓縮斷裂時吸能更高；且芳綸Ⅲ纖維與芳綸Ⅱ相比對力的響應(yīng)速度更快，在應(yīng)對高速彈體沖擊時能夠更快的做出力學(xué)響應(yīng)，使纖維發(fā)揮出更優(yōu)的力學(xué)性能。迎彈面最大限度的吸收能量使彈速降低，彈速的降低使背彈面拉伸斷裂吸能機制能夠更好地發(fā)揮作用。

圖5 芳綸Ⅲ質(zhì)量含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料v50影響Fig.5 Effect of different aramid Ⅲ content on v50 of hybrid composites

圖6為不同芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板SEA值，SEA值越高，表示該材料吸收的沖擊動能越多，防彈性能越好。由圖6可以看出，混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板SEA值隨芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量變化的趨勢與圖5中變化趨勢相吻合。

圖6 芳綸Ⅲ質(zhì)量含量對混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料SEA值影響Fig.6 Effect of different aramid Ⅲ content on SEA value of hybrid composites

2.2 混雜結(jié)構(gòu)防彈頭盔防彈性能

根據(jù)上述研究結(jié)果，考慮成本與防彈性能的相互平衡關(guān)系，選用C1、C3、C7三組混雜比例制備防彈頭盔，用于研究混雜結(jié)構(gòu)和純材料制備防彈頭盔的性能差異性等。所得防彈頭盔規(guī)格表4所示，H1、H2、H4組為2頂頭盔，H3組為7頂頭盔，分別用于1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片、防51式7.62 mm鉛芯彈測試，驗證上述混雜結(jié)構(gòu)在防彈頭盔上的適應(yīng)性。H2組和H3組中芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量相同，但H2組是將芳綸Ⅲ復(fù)合材料放置于頭盔的內(nèi)側(cè)即背彈面，H3組是將芳綸Ⅲ復(fù)合材料放置于頭盔的外側(cè)即迎彈面。

表4 防彈頭盔規(guī)格Table 4 Specifications of the bulletproof helmets

2.2.1 防彈頭盔1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片

圖7為防彈頭盔。采用芳綸Ⅲ、芳綸Ⅱ復(fù)合材料混雜質(zhì)量比例為30/70且芳綸Ⅲ復(fù)合材料為迎彈面制備的防彈頭盔，其防彈性能僅比全部采用芳綸Ⅲ復(fù)合材料制備的防彈頭盔低2.8%，表明二者混雜在有效降低成本的同時得到了與高性能芳綸Ⅲ復(fù)合材料相似的性能。將圖7與圖5對比發(fā)現(xiàn)，相同混雜結(jié)構(gòu)及面密度的混雜復(fù)合材料層壓板比防彈頭盔低，與Tham等研究結(jié)果一致，同種成型工藝條件下可能是二者的曲率不一樣。與平板材料相比，頭盔多曲面的形狀使其表面每一點均存在曲率，曲率的增加，會導(dǎo)致彈道極限也相應(yīng)的增大。彈道沖擊屬于超高速沖擊，高速沖擊下局部材料行為決定結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)。彈著點區(qū)域頭盔曲率的存在，使其主要的吸能機制表現(xiàn)為局部材料的分層吸能，最終導(dǎo)致防彈頭盔的高于復(fù)合材料層壓板。

圖7 防彈頭盔v50Fig.7 v50 of bulletproof helmets

2.2.2 防彈頭盔彈著點彈痕高度

編號H1-2～H4-2防彈頭盔經(jīng)51式7.62 mm手槍彈沖擊后均未穿透，彈著點彈痕高度如表5所示。由表5可知，不同頭盔比較，H4-2的彈著點彈痕高度總體較其他頭盔小。H2-2與H3-2材料相同，但芳綸Ⅲ位于迎彈面時其平均彈著點彈痕高度略低。表明應(yīng)用芳綸Ⅲ及將其放置在迎彈面時，可以在一定程度上降低51式7.62 mm鉛芯彈對防彈頭盔造成的彈著點局部變形量。芳綸Ⅲ纖維強度與模量均高于芳綸Ⅱ，拉伸強度高使其吸收的沖擊能量更多，模量高使其在相同應(yīng)力下產(chǎn)生形變較小，模量高也使彈著點受到的沖擊能量可以較快的速度沿纖維軸向傳遞到遠端，減少局部效應(yīng)。綜合作用使含有芳綸Ⅲ的頭盔彈著點痕跡高度較小，與復(fù)合材料抗沖擊性能結(jié)果一致。

表5 防彈頭盔彈著點彈痕高度 Table 5 Impact height of the bulletproof helmets mm

2.2.3 防彈頭盔最大瞬間變形量

表6為高速攝影捕捉的H1-2～H4-2防彈頭盔受到51式7.62 mm鉛芯彈射擊時的最大瞬間變形量。由表6可知，H4-2各部位最大瞬間變形量較其他組小，含有芳綸Ⅲ的H2-2、H3-2比僅有芳綸Ⅱ的H1-2的最大瞬間變形量小。與頭盔對51式7.62 mm鉛芯彈的測試中，各部位彈著點彈痕高度反映出的規(guī)律一致。因此含有芳綸Ⅲ復(fù)合材料的混雜結(jié)構(gòu)，可以有效降低防彈頭盔經(jīng)彈擊后的最大瞬間變形量，減少非貫穿性傷害對士兵生命構(gòu)成的威脅。

表6 防彈頭盔瞬間最大變形量Table 6 Maximum deformation of the bulletproof helmets during impact mm

進一步對頭盔彈道沖擊過程變形情況進行分析。圖8為高速攝影捕捉到的子彈沖擊H3-2頭盔前部過程的部分截圖，按沖擊先后順序圖8(a)～圖8(f)依次排列，圖中8(a)為沖擊前防彈頭盔固定在靶架上，頭盔兩側(cè)的黑色標(biāo)線為沖擊前頭盔位置參考線。子彈射入頭盔后，背彈面開始產(chǎn)生形變，如圖8(b)所示。從彈體射入頭盔直到背彈面產(chǎn)生最大變形時左側(cè)參考線處頭盔未發(fā)生偏移，說明從開始產(chǎn)生形變至形成最大形變過程中，頭盔整體始終未發(fā)生變形。當(dāng)最大形變開始縮小時，頭盔整體才開始發(fā)生變形，如圖8(d)、圖8(e)所示。最大形變變小，頭盔左右兩側(cè)分別在兩條參考線附近偏移晃動，最大形變縮至最小時頭盔停止晃動，頭盔左、右兩側(cè)不能恢復(fù)至原參考線處，此時頭盔整體發(fā)生變形，如圖8(f)所示。

圖8 子彈沖擊防彈頭盔過程Fig.8 Process of bullet impacting the bulletproof helmet

2.3 混雜結(jié)構(gòu)防彈頭盔環(huán)境適應(yīng)性

對編號H3-3～H3-7防彈頭盔分別進行高溫、低溫、浸漬、鹽霧以及太陽輻射處理后，觀察頭盔外觀形貌，均未發(fā)現(xiàn)裂紋、起泡、分層或包邊條脫落等現(xiàn)象。對該組頭盔進行1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片測試。表7為防彈頭盔環(huán)境適應(yīng)性測試結(jié)果。由表7可知，各項環(huán)境試驗后的H3-3～H3-7頭盔與常溫條件下的H3-2頭盔相比，其防1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片的變化較小，表明該種混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

表7 防彈頭盔環(huán)境適應(yīng)性測試結(jié)果Table 7 Environmental suitability test results of the bulletproof helmets

3 結(jié)論

本文采用多種材料混雜制備的防護結(jié)構(gòu)，使不同組分在相應(yīng)位置協(xié)同發(fā)揮作用，通過控制混雜比例實現(xiàn)了彈擊形變和抗侵徹能力的提升。得到主要結(jié)論如下：

1)隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加，其混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能和防彈性能均有一定程度的提升。

2)芳綸Ⅲ復(fù)合材料在迎彈面或是在背彈面，混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片均隨著芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加而提高，其趨勢為起初提升速度較大，質(zhì)量含量超過30%時，提升速度明顯趨緩。當(dāng)芳綸Ⅲ復(fù)合材料質(zhì)量含量超過70%時，提升不明顯。對于具有相同芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的混雜復(fù)合材料，當(dāng)芳綸Ⅲ放置于迎彈面時，復(fù)合材料較高，這一現(xiàn)象在芳綸Ⅲ質(zhì)量含量為30%～70%時最為明顯。

3)采用芳綸Ⅲ、芳綸Ⅱ復(fù)合材料混雜質(zhì)量比為30%/70%且芳綸Ⅲ復(fù)合材料為迎彈面制備的防彈頭盔，其彈道極限僅比全部采用芳綸Ⅲ復(fù)合材料制備的防彈頭盔低2.8%，表明二者混雜在有效降低成本的同時得到了與高性能芳綸Ⅲ復(fù)合材料相似的性能且環(huán)境適應(yīng)性良好。同時芳綸Ⅲ復(fù)合材料含量的增加，有利于減小防彈頭盔經(jīng)51式7.62 mm鉛芯彈彈擊后的變形量。