天然植物纖維增強復合材料抗彈性研究

唐 平，曹紅錦，李佳蒙，羅明文,陳 秦

(西南技術工程研究所， 重慶 400039)

在過去幾十年中，人們對于以“綠色材料”替代合成材料越來越感興趣。這些綠色材料不但可回收利用，生物降解，還是環境友好型材料[1-2]。在這種潮流之下，天然纖維，尤其是源于植物的纖維(又稱天然木質纖維素纖維)，越來越多地吸引了天然纖維增強聚合物基復合材料在若干應用領域研究的注意力。這是由于天然材料相對合成纖維有各類性能優勢，例如原料豐富，可回收，生產成本低，具有生物降解性和可再生性。其中一個應用領域在過去十年中進入了人們的視線：將天然木質纖維用于防彈領域，作為多層防護裝甲(特指便攜式防護背心)的一部分[3-7]。

1 抗彈結構原理及抗彈材料性能分析

1.1 抗彈結構原理

為了滿足多層防護裝甲(特指便攜式防護背心)最大程度地吸收子彈及其他射體動能的要求，多層防護裝甲通常由較硬的前陶瓷片組成，陶瓷片具有使彈丸變形和侵蝕/使其斷裂功能。由于這種前陶瓷層的存在，高能彈丸一旦擊中前陶瓷片的正面，壓縮波就會傳播并到達陶瓷片的背面。此時，部分壓縮波反射為張力脈沖，從而破壞陶瓷片，陶瓷破片通過斷裂、形變而消耗彈丸大部分能量[8-10]。多層防護裝甲的第二層通常是較輕的復合材料，通過吸收部分破片(彈丸或陶瓷)的動能，降低更多的沖擊波。擴散子彈及彈射物剩余部分的能量，并起到緩沖的作用，從而盡可能地降低了非貫穿性損傷，在這兩次防彈過程中，前一次發揮著主要的能量吸收作用，大大降低了射體的侵徹力，是防彈的關鍵所在[11]。最后屏障的第三韌性金屬層，進一步限制了彈丸或其破片的穿透深度超過最大標準深度44 mm(NIJ標準規定，超過該深度值，穿透可能會對裝甲穿戴者造成嚴重的鈍挫傷)，避免了對人體造成嚴重傷害[12-13]。

1.2 抗彈材料的抗彈性分析

隨著材料技術的快速發展，多層防護裝甲第二層多以凱夫拉(Kevlar)和特瓦綸(Twaron)等芳綸纖維以及超高分子聚乙烯纖維強化材料為輕型防彈衣復合材料的首選。其中，與合成纖維相比，芳綸纖維(Kevlar49)強度最高，為3 600～4 100 MPa、硬度最高，為131 GPa、纖維材料直徑相對較細，為10～20 μm、密度較低，為1.4 g/cm3。凱夫拉(Kevlar)復合材料通過纖維從基質中剝離的方式吸收剩余彈丸或陶瓷破片的部分能量。此外，纖維拉伸及其彎曲變形和最終斷裂也符合相關的吸收機理。在最近的研究結果顯示：多層防護系統中膠合芳綸纖維可消散7.62 mm口徑高速彈藥的沖擊能量是單獨纖維的20倍。研究發現，大量芳綸纖維碎片上的多層防護裝甲前陶瓷板能夠吸收36%的沖擊能量。

如果沒有作為多層防護裝甲(防彈衣)主要防護的前陶瓷板，需要相當大數量(20～50)的芳綸纖維層才可防護相對較高能量的彈丸[14]。由于體積和硬度限制了多層防護裝甲(防彈衣)的舒適性和機動性，因此這種整體復合材料還未應用于對抗重型彈藥的防彈衣。一個完整的多層防護裝甲系統也包括作為最后屏障的第三韌性金屬層。這進一步限制了彈丸或其破片的穿透深度超過最大標準深度44 mm，避免了對人體造成嚴重傷害。在某些情況下，為了避免破裂的陶瓷破片，在裝甲的前部會附加一個防碎層[10]。

中間復合材料層作為防彈背心的較輕部件，不僅為穿戴者提供了舒適性和機動性，而且提高了彈丸沖擊的吸收效率。的確，彈丸撞擊后會產生壓縮波并穿過幾層多層裝甲防護系統。在不同材料(陶瓷/復合材料/金屬)之間的接合面，傳播的能量脈沖根據兩層的阻抗，以張力波或壓縮波的形式反射回來[15]。當一個較低的沖擊阻抗復合材料位于接合面后方時，所產生壓縮波的透射能相對較低。由于沖擊阻抗與材料密度直接相關，因此應由支撐陶瓷片的相對較輕的復合材料提供更大的彈道沖擊能量吸收。典型的多層裝甲防護系統材料包括密度為3.7 g/cm3左右的Al2O3瓷片，其中間層是1.4 g/cm3的芳綸纖維復合材料，最后一層是2.7 g/cm3的鋁板。為了使多層裝甲更具防護和輕便性，研究發現，用低密度的纖維增強復合材料——天然纖維增強的輕質聚合物復合材料代替芳綸纖維是提高多層裝甲防護系統的另一理想選擇，即采用從植物中提取的天然纖維，也稱為木質纖維素纖維，該纖維具有可再生、可降解、可回收、二氧化碳排放適中等特性，污染小。此外，在加工過程中，這種纖維不像玻璃、碳和芳綸等合成纖維那樣耗能較大[16]。因此，該植物纖維與合成樹脂進行復合制成低密度纖維增強復合材料，該材料除密度更低之外，制品更具抗伸強度和抗擊韌性，成本也更低，而且公認具有環保性。

2 典型植物纖維的防彈性原理研究

比利時魯汶大學Wambua等[16]對天然纖維增強聚合物復合材料的防彈性能進行系統性研究。他們針對46 vol%(體積百分比)的亞麻纖維、大麻類植物或黃麻平紋織物增強的聚丙烯作為基體。其復合材料板中有12.9 mm厚的亞麻和黃麻纖維以及6.9 mm厚的大麻類植物，分別用1.5 mm和0.8 mm厚的低碳鋼板覆蓋或夾覆。采用直徑5.385 mm合金鋼制作、用于模擬彈丸的鑿頭破片進行了防彈沖擊試驗。作為主要的研究目標之一，Wambua等[17]的研究報告中雖然提供了與天然纖維復合材料有關的彈道沖擊速度和能量信息，但并未對其作為人體防護裝甲的系統性能進行評估。基于上述這種情形，巴西材料學軍事工程研究所首先把菠蘿族植物、錦葵屬植物、巴西櫚3種天然植物從纖維束中分離出纖維(圖1、圖2、圖3)，在60 ℃的實驗室爐中干燥2 h，并在120×150 mm鋼模中以正確的數量對齊放置，錦葵屬植物纖維與菠蘿屬植物纖維都并沿長度方向手工鋪設30 vol.%的連續對齊的植物纖維，而巴西櫚纖維以50%的體積百分比)按90°正交鋪設纖維，再將液態樹脂(主要成分以雙酚A環氧甘油醚(DGEBA)環氧與化學計量的13%三乙烯四胺(TETA)混合作為催化劑，或以不飽和鄰苯二甲酸酯混合0.5%甲乙酮作為硬化劑)傾倒在模具中，施加3～5 MPa 的壓力(菠蘿纖維一般為5 MPa，另外兩種為3 MPa)，使復合板固化24 h，從而制備成天然纖維復合板(如圖3(b))，并分別對三種天然植物纖維復合板進行抗彈性能研究。

圖1

圖2 采用 50%(體積百分比)巴西櫚纖維(90°正交鋪設纖維)復合材料的MAS

圖3 菠蘿族植物纖維束(a) 和植物纖維強化的菠蘿族植物復合材料板(b)

2.1 天然菠蘿族植物纖維增強復合材料[20]

菠蘿族植物纖維的密度為0.92 g/cm3、平均直徑為50 μm、抗張強度為1 250～3 000 MPa、彈性模量為27～80 GPa[18]。菠蘿族植物纖維增強的聚合物復合材料的沖擊能可達到150 J/m以上[19]。然后采用粘土塊模擬人體，對不同類型的多層裝甲防護系統的靶材進行了10次試驗，并通過Weibull統計法對試驗結果進行了分析。按照NIJ 0101.03和NIJ 0101.04標準，所有試驗均使用7.62×51 mm NATO軍用彈藥進行。

該彈道試驗通過彈體穿透模擬人體的凹陷水平來研究陶瓷、芳綸纖維、菠蘿族植物纖維復合材料和鋁層組成的多層裝甲的防彈性能。使用Al2O3前片進行了大量的多層防護裝甲系統的沖擊試驗。防護裝甲中間層，采用了輕質菠蘿族植物纖維增強復合材料板(環氧樹脂或聚酯基體)與普通環氧樹脂或聚酯板和芳綸纖維的防彈性能(厚度相同)進行了研究。通過單獨的沖擊試驗對每一種材料的作用加以評估，彈道測試評估如表1、表2、表3所示。

表1 不同多層裝甲的粘土證據塊的平均凹陷深度

表1列出了不同MAS靶材的彈道測試數據，根據數據表明，菠蘿族植物纖維/環氧復合材料作為MAS的第二層，具有其他研究對象(包括芳綸纖維)無法比擬的防彈性能。

表2 不同多層裝甲的質量和成本評估

表3 多層裝甲系統部件單獨彈道試驗中的沖擊和剩余速度以及內部耗散能量

表2顯示出使用菠蘿族植物纖維復合材料的多層防護裝甲的總質量減少5%以上。此外，相應的總成本下降了31%以上。在實際應用中，菠蘿族植物/環氧復合材料優異的防彈性能與芳綸相比，質量輕5%、成本降低31%，其顯現出的經濟優勢、所帶來的市場潛力和長期耐候性，使其在作戰人員多層防護裝甲背心上的應用前景廣闊。

表3，陶瓷片內部耗散能量為1920 J，為最高值，而芳綸纖維的耗散能量最低(58 J)。這證實了表1中的結果，其中芳綸纖維比菠蘿族植物纖維/環氧復合材料表現出較差的防彈性能(凹陷更深)。

總之，從表1～表3中可以得出結論：菠蘿族植物纖維/環氧復合材料吸收沖擊能量的能力更加有效，無論是在子彈穿透多層裝甲防護系統前陶瓷層形成破片后，還是高速7.62 mm子彈直接穿透該材料，均表現出更有效的性能。支撐前陶瓷片不僅降低了速度(33 %)，而且消耗了大部分的沖擊能量(55 %)，無論是芳綸纖維和菠蘿族植物纖維/環氧復合材料，都比單獨部件更加有效。在多層裝甲防護系統中捕獲破片是一種有效的能量吸收機制。另一方面，子彈可以很輕易地穿過單部件纖維，并且材料只吸收了1.7 %(芳綸纖維)或3.1 %(菠蘿族植物纖維/環氧復合材料)的沖擊能量。在任何一種多層裝甲防護系統單一部件的試驗中，與芳綸纖維相比，菠蘿族植物纖維復合材料在通過粉碎脆性環氧基吸收額外能量方面提供了更好的防彈性能。菠蘿族植物纖維/環氧復合材料的輕便性和成本優勢使其在MAS中的實際應用前景更加廣闊。

2.2 錦葵屬植物纖維增強環氧復合材料[21]

錦葵屬植物纖維具有復合材料增強的潛力，密度為1.40 g/cm3、抗張強度為160 MPa，彈性模量為17.4 GPa。尤其是9 mm口徑的中速(436 m/s)子彈射入所產生的能量有40 %被錦葵屬植物纖維增強的環氧復合材料吸收，所吸收的能量為194 ± 21 J[22]。以同樣的厚度、使用相同的彈道測試程序、基于穿孔后測得的9 mm子彈剩余速度，這一特性基本接近凱夫拉(Kevlar)纖維 221±27 J的吸收能量。這些研究成果[22-23]，推動了巴西材料學軍事工程研究所針對錦葵屬植物纖維增強環氧復合材料作為對抗高速7.62 mm彈藥的第二層多層裝甲防護系統的研究。

該植物的防彈試驗在巴西陸軍評估中心進行，試驗采用了經認證的7.62×9 51 mm NATO彈藥，子彈質量9.7 g。Kevlar?和錦葵屬植物纖維等的彈道分析見表4所示。

表4 多層裝甲系統研究中的質量和成本分析

從表4中的數據可以看出，用錦葵屬植物纖維復合材料作為多層裝甲防護系統第二層，代替等厚度的傳統凱夫拉(KevlarTM)，質量稍微增加了2%左右，但成本卻顯著降低200%以上。這些結果表明，在實際應用中，以錦葵屬植物纖維復合材料代替凱夫拉(KevlarTM)多層裝甲防護系統在防彈性能和輕量化方面具有相同的技術優勢，且成本較低。原則上，這些結果與之前使用其他天然纖維增強聚合物復合材料的類似研究結果相比并不令人驚訝。目前工作的重要因素是：錦葵屬植物纖維復合材料還未在工程應用中得到認可。

2.3 櫚纖維增強環氧樹脂基體復合材料[24]

巴西櫚纖維的密度介于 1.10～1.45 g/cm3之間。這些纖維的化學成分基本為纖維素和木質素，分別占31.6%和48.4%。這種纖維構成具有天然的抗彎剛度和防水性。0.25～0.70 mm 直徑巴西櫚纖維的機械特性為：拉伸強度108.5～147.3 MPa，彈性模量5.5～6.3 GPa，屈服強度 69.8～81.7 MPa[25-30]。

基于上述優勢，巴西材料學軍事工程研究所連續對巴西櫚纖維(巴西櫚纖維體積分數分別為 10%、20%、30%、40% 和 50%)和環氧樹脂制成用作多層裝甲防護系統中間層的復合板，然后對其進行彈道試驗。試驗結果分析見表5所示。

表5 抗彈試驗的凹陷深度值

表5分析了巴西櫚纖維六組復合材料樣本在經過彈道試驗后的凹陷深度值。由此表可知：

1) 巴西櫚纖維/環氧樹脂系統均未在相應的彈道試驗中被貫穿，且所有結果均顯示凹陷深度小于44 mm。根據NIJ標準，巴西櫚纖維/環氧樹脂有望作為防彈裝甲中的環氧樹脂復合材料。

2) 此復合材料以50%(體積百分比)巴西櫚纖維增強，采用正交鋪設結構，具有優越的彈道沖擊抵抗表現。此復合材料能夠在一次彈道沖擊后保持完整，因此是所有樣本中最適合多層裝甲防護系統的材料

但是，巴西櫚纖維含量的進一步增加有待進一步研究。而且，由于復合材料中纖維增強材料和基體之間的空隙增大，黏著力下降，加工此材料時有一定難度，實際工程應用還待進一步研究。

綜上所述：巴西三種植物纖維復合材料板的彈道性能分析研究得知：三種纖維復合板的彈道凹陷度以芳綸纖維的彈道凹陷度為基準(22.67±2.79 mm，22.7±2.8)，其中菠蘿族植物纖維復合板的彈道凹陷值為17.13 ± 1.57 mm，錦葵屬植物纖維復合板的凹陷平均值為22.4±1.3， 巴西櫚纖維復合板凹陷平均值為17.65 mm左右(見表5)，從三種植物纖維復合板的凹陷值指標可看出，櫚纖維和菠蘿族植物的防彈性能最佳，更適合制作多層防護裝甲的中間防護層。但在實際應用中，植物纖維增強復合材料板與芳綸料板相比，不但具有優異的防彈性能，且在重量、制造成本方面者具有經濟優勢，使其在作戰人員MAS裝甲背心上的應用前景廣闊.

3 結論

1) 天然植物纖維與芳綸纖維有相同抗彈性能，并且比芳綸纖維更具有環保性。

2) 天然植物纖維用于防彈衣中間層，比芳綸纖維作防彈衣中間層質量更輕，更舒服。

3) 根據材料的熱降解性，在高達200 ℃的條件下，天然植物纖維/環氧復合材料具有與芳綸纖維同樣的耐候性，甚至可能比作戰人員的防彈背心中的芳綸纖維更耐用。

天然植物纖維具有與芳綸纖維同樣的防彈性能，甚至在環保性、輕量化、制造成本上更具有優勢，但巴西材料軍事研究所對幾種天然植物纖維只限于理論研究，給各國在防彈材料領域的研究提供了更廣闊的思路。