國外抗彈纖維及其復合材料的研究進展

王 勇，李 靜，胡陽旭，郭瑞萍，鄭 斌

(北方科技信息研究所， 北京 100089)

【系統工程、測量與控制】

國外抗彈纖維及其復合材料的研究進展

王 勇，李 靜，胡陽旭，郭瑞萍，鄭 斌

(北方科技信息研究所， 北京 100089)

重點介紹了國外在玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、PBO和M5纖維及其它抗彈復合材料的研究現狀，包括材料的制備、改性、增強、力學和抗彈性能研究等。

抗彈纖維；復合材料；增強；力學性能

當前，世界各國都在不斷研發和優化各類新型抗彈材料，以增強車輛和單兵的彈道防護性能。高性能纖維復合材料具有輕質、高強、抗彈性能優異等特點，是研究最多、市場發展最快和最有前途的抗彈材料。以美國為代表的軍事發達國家特別關注高性能抗彈纖維及其復合材料的發展，美國陸軍研究實驗室等國防科研機構和受國防部資助的大學近些年開展了大量研究工作。本文主要介紹玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、PBO和M5纖維及其復合材料在國外的研發、應用現狀與性能水平。

1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)的拉伸強度高、斷裂伸長率大、沖擊性能好、抗疲勞、化學穩定，不足之處是密度較大。GF復合材料是第一代較廉價的抗彈裝甲材料。美國“布雷德利”步兵戰車、俄羅斯T90S主戰坦克和印度“阿瓊”主戰坦克的裝甲都采用了GF夾層。美國海軍“黃蜂”級兩棲攻擊艦和俄羅斯“庫茲涅佐夫號”航母的干弦也采用了GF復合材料抗彈防護結構。E-玻纖(E-GF)和S-2 玻纖(S-2 GF)是常被研究和應用的兩種型號。S-2 GF比E-GF有更高的強度和延伸率。

Grujicic等[1]研究了S-2 GF增強酚醛樹脂/氧化鋁陶瓷裝甲的抗穿甲彈性能，發現此復合裝甲有極佳的陶瓷/復合材料面密度比，對穿甲彈有很高的抗彈性能。Raju Mantena等[2]研究了新一代艦船用GF聚合物基復合材料的抗爆炸沖擊性能，其制得的夾芯復合板由E-GF、Dow 510A-40溴化乙烯酯形成的面皮和Tycor、聚氯乙烯泡沫、輕木(Balsa)形成的核芯層構成。

美國密歇根州立大學[3]對GF增強的聚合物基復合材料進行了廣泛研究，并向陸軍研究實驗室提交了報告。其制備了基于S-2 GF/SC-15環氧樹脂的復合材料；研究了由正交平織GF氈布和環氧樹脂基體構成的復合材料的尺寸效應對高壓載荷下行為的影響；開發了基于GF的高抗沖三軸準三維機織復合材料，并對其進行沖擊測試表明，三軸準三維復合材料的剛度比二維機織和層壓樣品分別高出12.5%和20%；通過樹脂傳遞模塑工藝制備了車輛防護板用玻璃纖維氈增強的SC-15環氧樹脂復合板，平均拉伸模量和拉伸強度分別為20.06 GPa和383.65 MPa，平均壓縮模量和壓縮強度分別為31.83 GPa和258.60 MPa，平均剪切模量和剪切強度分別為5.62 GPa和97.43 MPa，平均彎曲模量和彎曲強度分別為16.23和334.61 MPa；最后他們還利用S-2 GF氈布制得預制件，采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝對預制件浸漬SC-15環氧樹脂，生產出車用復合保險杠支架。

美國陸軍工程研發中心[4]還研究了負載碳納米管的E-GF復合材料的能量耗散和高應變速率動態響應。他們在E-GF氈上生長碳納米管，然后將負載碳納米管的E-GF氈與樹脂結合，形成復合材料。對材料進行力學性能和彈道性能測試表明，負載碳納米管的復合材料在高應變速率下比吸收能提高106%，準靜態應變速率下5個循環周期后能量密度耗散提升64.3%，V50值提高11.1%。

2 芳綸纖維

芳綸纖維具有高比強度、高斷裂伸長率的特點，在相同面密度情況下，芳綸/樹脂復合材料的抗彈能力是GF /樹脂復合材料的2～3倍，在很多領域可全面替代GF /樹脂復合材料。

美國克萊姆森大學聯合陸軍研究實驗室等機構[5]采用傳統有限元法對Kevlar KM2抗彈纖維氈進行數值分析，用以確定材料的穿透阻力和對沖擊的整體撓曲、變形、破壞響應。該團隊的Grujicic等[6]還進一步對平織Kevlar纖維增強的聚合物基復合材料的彈道沖擊/爆炸防護計算分析模型進行了優化升級。2014年，Grujicic等[7]又研究了PPTA(聚對苯二甲酰對苯二胺)基材料微結構/性能的關系，開發出多長度尺度計算方法，來確定不同尺度上各種微結構特征對PPTA基氈布或PPTA纖維增強的聚合物基復合材料的宏觀彈道抗侵徹性能的影響。

意大利卡西諾和南拉齊奧大學Sorrentino等[8]將Kevlar29平紋織氈與熱固性樹脂復合制成層壓材料，并對制備的復合裝甲進行了Walker數值模型預測和彈道性能測試。美國陸軍研究實驗室O’Brien等[9]以扁平條帶狀透明尼龍單絲為增強體、以與之折射率相匹配的透明環氧樹脂為基體制備出一種透光率約為40%的復合材料，并對材料進行彈道實驗，所得材料V50值大于305 m/s，遠高于環氧樹脂和聚碳酸酯。

美國桑迪亞國家實驗室Song等[10]研究了加捻(twist)對Kelvlar KM2抗彈纖維紗橫向沖擊性能的影響，并利用高速攝像機測量了由沖擊引發的歐拉橫波速度。結果表明，歐拉橫波速度隨纖維紗加捻數量的提高而提高，意味著更高的彈道性能。因此，在抗彈纖維氈中使用加捻的纖維紗能提升材料的彈道性能。Wong等[11]研究了磁場對芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維彈道性能的影響。研究者分別將芳綸纖維(Kevlar K29)和超高分子量聚乙烯纖維夾在兩組相反的稀土磁體之間，測試磁場斥力對材料彈道性能的作用。結果表明，磁場斥力能抑制子彈進入芳綸纖維的前面板。

對芳綸纖維進行納米改性或對其復合材料納米填充也會改善抗彈性能。Sodano等[12]通過在Kevlar纖維表面生長垂直的ZnO納米線來增強界面強度。纖維的界面強度比裸纖維提高了96.9%，拔出測試的峰值載荷提升達6.5倍。ZnO納米線強化了Kevlar纖維的拔出性能，進而也提高材料的彈道沖擊保護水平。Manero II 等[13]研究了納米顆粒填充劑對Kevlar29抗沖擊復合材料的影響，對研磨碳纖維和納米顆粒(碳納米管和核殼橡膠顆粒)同時填充的Kevlar29纖維復合材料進行了V50彈道測試。結果顯示，納米核殼橡膠顆粒填料由于空穴作用對沖擊過程中的能量吸收有效，同時也使彈道性能顯著提高。碳納米管填料能提高基體-纖維的界面性能，也使得彈道性能有顯著提高。二者對復合材料的V50抗彈性能有增強作用。復合材料添加質量分數1%的研磨碳纖維并添加1%的納米顆粒，能將V50相對于參照樣品分別提高7.3%(碳納米管)和8%(核殼橡膠顆粒)。

3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維密度小、抗吸濕性能好、斷裂伸長率較高，是目前已經商業化的比強度最好的纖維之一。Dyneema(迪尼瑪)是荷蘭帝斯曼迪尼瑪公司生產的一種超高分子量聚乙烯復合材料，是未來作戰系統實現輕質、防護性能的主要商用材料之一。該公司推出的由迪尼瑪HB26聚乙烯纖維增強的硬質輕型防彈復合材料，其強度比芳綸強40%。美國Hardwire LLC公司使用迪尼瑪HB26和HB50超高分子量聚乙烯纖維開發并演示了一種車輛防爆系統。

國外對Dyneema 纖維及復合材料進行了大量研究。Sanborn等[14]采用直接抓緊法測試了Dyneema SK76單纖維在多重負載速率下的拉伸性質，解決了由于纖維直徑太小和表面能太低而難以用傳統的黏著法進行準確測量的問題。Greenhalgh等[15]研究了不同Dyneema HB26正交層壓復合層板在彈道沖擊下的顯微斷面，推導出沖擊過程中層離、層開裂和纖維扭折等失效模式的發生順序，得到主要的能量吸收斷裂過程，并確定這些過程如何受制備條件和目標響應的影響。Karthikeyan等[16]研究了不同面密度的HB26層壓板的損傷力學和界面作用，以評價材料的極限速度和失效機理。O’Masta等[17]對分別采用Dyneema超高分子量聚乙烯纖維和分子取向條帶增強的HB50和BT10m兩種復合層壓板的連續侵徹變形和斷裂機制進行了研究，探討了HB50纖維和BT10m條帶增強的區別。Rosso等[18]使用Dyneema?SK75、Dyneema?SK76和Kevlar?49制造了具有不同偏度和構型的微編織物，通過一系列沖擊測試評估了不同微編織物增強的聚合物基復合材料的彈道性能。結果顯示，微編織物增強的聚合物復合材料的彈道極限比由單向纖維制造的正交層壓復合材料提高了近20%。

Sapozhnikov等[19]比較了不同結構的均質、雜化熱塑性復合材料在不同溫度下的破片彈道性能。這些復合材料體系的構成分別為多層芳綸氈布(Twaron?, RUSLAN?-SVM)/低密度聚乙烯基體復合層壓板、基于Dyneema(HB2，HB80)的多層超高分子量聚乙烯體系、以及雜化的芳綸/Dyneema HB2、Dyneema HB2/Dyneema HB80層壓板。結果表明，溫度對芳綸氈布/低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯復合材料的V50值影響較小，但在低溫下實驗數據的發散性提高。在高速沖擊下，基于超高分子量聚乙烯纖維的層壓板的V50值和吸收能優于其他材料。但當射彈速度超過彈道極限時，其能量吸收能力急劇下降。

此外，Zhou等[20]還研究了紗線抓持(yarn gripping)對超高分子量聚乙烯織氈彈道性能的影響，闡明了通過創建新型織氈結構可有效增強紗間摩擦的可行性。Nguyen等[21]研究了不同厚度的超高分子量聚乙烯復合板針對兩種口徑破片模擬彈的彈道性能。研究表明，隨著靶板厚度的增大，樣品呈現兩段侵徹過程：第一階段是初始的剪切沖塞，侵徹發生在纖維剪切中，靶板不發生撓曲；第二階段是凸起，亞層脫離靶板并在纖維拉伸中經受了大的撓曲和侵徹。研究人員對侵徹的兩個階段進行了仔細研究，并開發出一個分析模型對之描述。

4 碳纖維

碳纖維的楊氏模量通常是傳統玻璃纖維的三倍多，是Kevlar纖維的兩倍左右，在軍事裝備的輕量化和提高生存性方面有重要應用潛力。2015年，美國喬治亞理工學院Chae等[22]開發出一項基于聚丙烯腈(PAN)紡絲技術的凝膠紡絲連續碳纖維制備新工藝，制得的 PAN基碳纖維的平均拉伸強度在5.5～5.8 GPa之間，拉伸模量在354～375 GPa之間，拉伸模量比廣泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纖維高出25-36%。其具備的強度和模量組合是PAN基連續碳纖維的最高值組合。未來通過優化材料和工藝，PAN基碳纖維的強度和模量將會得到更大的同步提高。

Wang等[23]研究了Hexcel碳纖維復合材料在受到彈道沖擊時結構的剩余強度。使用不同口徑的射彈在低速和高速沖擊下對材料進行彈道測試，觀測了試樣的損傷程度，然后制備沖擊后的拉伸、壓縮和剪切試樣，并進行力學測試。結果顯示，在明顯高于彈道極限的沖擊速度下，具有彈道沖擊損傷的試樣殘余強度顯著低于原始樣品，但并不顯著低于具有與射彈相同口徑的機械加工孔的試樣。研究碳纖維聚合物復合材料的彈道損傷對飛機設計和損傷修復非常重要。

Lawrence等[24]致力于針織碳纖維(T300)復合材料的研究，目的是通過開發針織技術減少材料面內性能的衰減，這些面內性能都與沿厚度方向的增強技術有關，包括Z向增強技術、縫綴和簇絨技術等。研究人員開發出獨特的內部針織加工工藝，可以使z向纖維以不同的角度(±45/90°)嵌入到復合層壓板內部，并有效減少拉伸強度的損失，顯著提升壓縮強度。

5 玻纖-碳纖雜化

Boyd等[25]研究了熱塑性聚氨酯夾層膜片增韌的碳纖-玻纖/環氧樹脂雜化復合材料的多沖擊耐久性，具體內容包括熱塑性聚氨酯(TPU)夾層增韌的無褶皺IM7碳纖-S2玻纖雜化復合層壓板的制備工藝及其對沖擊性能的影響。結果顯示，通過真空輔助樹脂傳遞模塑和固化/后固化工藝可以成功制備TPU增韌的雜化材料，且過程幾乎沒有或很少有扭曲和缺陷。樣品在沖擊測試中表現出良好的性能，但仍需開發模型以充分研究TPU夾層的增強機制。

為研究三維編織結構對材料力學性能的影響，Justusson等[26]對制備的碳纖-玻纖三維雜化織物復合材料及其SC-15環氧樹脂基體進行了力學測試。研究發現，編織構型對兩種復合材料在拉伸負載下的失效至關重要；碳纖/玻纖雜化復合材料在兩個方向上表現較不平衡，在經紗方向的強度和模量比緯紗方向高許多，且在經、維方向上的失效類型不同。

6 PBO纖維

PBO(聚對-亞苯基苯并雙噁唑)纖維最初由美國空軍研發，后來的Zylon產品由日本Toyobo公司制造，PBO纖維被稱為是可替代芳綸纖維的未來超高性能纖維，這種纖維密度比芳綸低，而力學性能和耐環境性能遠優于Kevlar和其他芳綸纖維。

2006年，美國加利福尼亞大學與美國陸軍簽訂合同，進行彈道試驗以確定Zylon纖維的抗彈性能。結果表明，Zylon纖維比Kevlar 29性能更好，用于裝甲，會有效增強防護性能和機動性。盡管PBO纖維具有輕質高強高模等優點，但在防護應用中受限于使用過程的力學性能退化。為解決此問題，Tamargo-Martínez等[28]開發了一種超臨界CO2化學試劑擴散后處理工藝來處理PBO纖維，以降低其力學性能衰退速度，延長使用壽命。美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的Lesser[29]對超臨界CO2后處理穩定化PBO纖維進行了研究，以超臨界CO2作為提取劑萃取PBO纖維上殘存的磷酸和水分，并以之為媒介引入多種物質中和磷酸，減弱水和酸對PBO纖維的降解作用。

抗彈纖維的疊絲可能是性能衰減的一個因素。McDonough等[30,31]研究了折疊對抗彈PBO纖維性能衰減的作用，通過實驗確定了這種失效機制對裝甲防護性能的影響。他們還進一步研究了折疊對抗彈纖維內部結構的影響[32]。日本Horikawa等對PBO纖維做了大量研究，例如，他們研究通過熱處理來提高高模PBO纖維的拉伸和疲勞強度，研究剪切速率對高模PBO纖維拉伸強度的影響等[33-36]。

7 M5纖維

M5(聚2,5-二羥基-1,4苯撐吡啶并二咪唑)纖維是由Akzo Nobel公司開發，其結構與PBO相似，但分子中含有羥基，故大分子鏈間可以形成氫鍵，壓縮性能比PBO要好。

美國特拉華大學曾與陸軍研究實驗室一起對M5纖維進行了系列基礎研究。首先，對M5纖維內分子間氫鍵的形成進行了紅外光譜分析和動力學研究，結果表明熱處理促進了纖維內聚合物鏈間的氫鍵的生成，計算得出分子鏈間的氫鍵形成活化能為14.8 kJ/mol[37]；又對比研究了M5、Kevlar KM2和Armos三種高性能纖維的界面行為，結果顯示，M5表現出比其他纖維更高的界面剪切強度[38]；還研究了氫鍵和水分循環對M5纖維壓縮性能的影響，發現氫鍵的增多將導致纖維壓縮強度升高，水分循環實驗揭示了材料中部分氫鍵的可逆性[39]。

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ResearchProgressinBallisticFibersandCompositesinForeignCountries

WANG Yong, LI Jing, HU Yangxu, GUO Ruiping, ZHENG Bin

(North Institute for Scientific & Technical Information, Beijing 100089, China)

We highlight the current research state of glass fibers, aramid fibers, ultra high molecular weight polyethylene fibers, carbon fibers, PBO fibers and M5 fibers in foreign countries, as well as their composites, involving material preparation, modification, strengthening, mechanical and ballistic performance characterization.

ballistic fiber; composite; strengthening; mechanical performance

2017-09-12；

2017-09-30

王勇，男，博士，助理研究員，主要從事兵器材料情報研究。

10.11809/scbgxb2017.12.033

本文引用格式：王勇，李靜，胡陽旭，等.國外抗彈纖維及其復合材料的研究進展[J].兵器裝備工程學報，2017(12):146-150.

formatWANG Yong, LI Jing, HU Yangxu, et al.Research Progress in Ballistic Fibers and Composites in Foreign Countries[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):146-150.

TJ04

A

2096-2304(2017)12-0146-05

(責任編輯唐定國)