纖維增強防彈復合材料及應用

張忠峰 王克儉

（北京化工大學機電工程學院）

引言

傳統的防彈材料以金屬和陶瓷為主，這類防彈板材的使用壽命長，但存在著一些缺點，例如質量比較重等。新型防彈塑料作為高強度材料，它可用來制作防彈玻璃和防彈服，質量只有傳統材料的1/5至1/7[1]。這是一種經過特殊加工的塑料材料，與正常結構的塑料相比，具有超強的防彈性。

傳統的防彈材料在被子彈擊中后會出現受損變形，無法繼續使用，但這種新型材料受到子彈沖擊后，雖然暫時也會變形，但很快就會恢復原狀并可繼續使用[2，3]。

新型防彈塑料為纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer-FRP），不僅能防止彈頭得侵徹，而且能吸收子彈得沖擊能量，避免沖擊能量造成得傷害。

1. 防彈材料的防彈標準

新型防彈材料的防彈標準沿用的舊防彈材料的標準，大體上按防彈性能將防彈材料分為A和B兩個類別。根據GA165-2016，A類為彈頭或彈片未穿透防彈材料，防彈材料背面有飛濺物，但沒有穿透測試卡。B類為彈頭或彈片未穿透防彈材料，防彈材料背面無飛濺物[4]。

具體的防彈等級按槍彈類型、彈頭標稱質量（g）、槍彈初速（m/s）、彈頭結構、彈頭直徑×彈頭長度（mm）、適用槍型分為六個等級以及特殊槍械對應的特殊等級[5]，在此不做贅述。

2. 纖維復合材料的防彈機理

最早的防彈材料多使用陶瓷、金屬等材料，當子彈打到防彈材料上時，將彈體或彈片碎裂后形成的破片予以彈開[5]，但是彈頭產生的巨大動能無法消減，對被防護對象仍會造成一定的沖擊。新型有機防彈塑料以纖維為主，在受到沖擊時會吸收大部分的沖擊能量。以下是吸收能量的原理。

新型防彈復合材料在受到沖擊時，主要通過材料受剪切破壞與分層、纖維的拉伸斷裂與變形以及彈體與靶板材料的高速摩擦等吸收能量。材料的局部變形和纖維斷裂是主要的吸能方式，而分層不會吸收更多的能量。靶板的分層主要由纖維編織結構設計以及界面粘接強度所決定，纖維的斷裂取決于纖維的抗拉強度和抗剪切能力，而基體的破壞主要是由基體的力學性能決定。受力如圖1所示。

圖1 橫向沖擊下兩種變形波的傳遞[6]

彈丸侵徹靶板材料是個復雜的過程，當彈丸作用于靶板材料時，在子彈高速的壓縮應力作用下，著彈面主要受到剪切作用，在靶板厚度方向上，剪切產生大量的顆粒，消耗了彈丸的部分能量，此時彈孔較整齊規整，基本呈現圓形。隨著子彈進一步侵入，靶板產生變形，由于不同層的應力波的頻率和強度會有所不同，導致層間產生剪切作用，緊隨著材料發生分層，這一過程能量損耗，該現象在彈丸速度接近彈道極限前較為明顯，此時孔內出現纖維斷頭。最后，當子彈穿透復合材料后，材料背部產生凸起，并且纖維出現原纖化，彈孔不規則，有大量的纖維拔出，此部分纖維主要受拉伸斷裂破壞，彈丸的動能轉化為纖維的斷裂能[6]。

3. 防彈塑料片材的發展

玻璃纖維、碳纖維、芳綸、聚對亞苯基苯并雙嗯唑（PBO）纖維和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維等是廣泛使用的高性能纖維，這些纖維與一種或多種樹脂基體復合可以制成性能很好的防彈產品[7]。

碳纖維一般不用于防彈復合材料研究，玻璃纖維性價比高，是最早用于防彈復合材料得纖維，PBO纖維和UHMWPE纖維是新興起用于防彈復合材料得纖維。表1是幾種纖維得簡單對比，目前芳綸纖維應用比較多，PBO纖維和UHMWPE纖維還處于研究階段。

樹脂基體主要起黏結作用，可分為熱固性和熱塑性樹脂兩大類。目前，基礎設施復合材料的樹脂基體仍以熱固性樹脂為主。表2是三種熱固性樹脂的簡單比較，應用比較多的是環氧樹脂，因為其可加工性強[8]。

3.1 玻璃纖維復合材料

玻纖增強塑料由于質輕、成本低、原材料來源豐富，因而率先獲得了實際應用[9]。美國Dayton研究中心和Marien公司在Mll3裝甲運兵車上進行一種摻混技術的研究，已研制一種輕型復合裝甲車體并進行了試驗，其目的是證明玻纖增強塑料裝甲的可行性，由MartinMarietta ltsmvre航天公司制造的車體，采用E-玻纖粗編布制造的層壓板[10，11]。

3.2 芳綸纖維復合材料

受困于國際社會對我國的技術封鎖我國芳綸纖維的生產和商業化都起步較晚。目前芳綸纖維的生產主要集中在美國、日本及歐洲。我國于上世紀80年代開始進行研究積累工業化生產經驗，逐步建立起了生產線。現已廣泛應用于建材、電子電器、防彈制品、交通、軍事、航空等領域[12]。

對于防彈用芳綸材料，美國及歐洲應用的主要是芳綸Ⅱ（如kevlar、Twaron），而俄羅斯應用的是芳綸Ⅲ系列（Armos、Rusar），其綜合性能遠超芳綸Ⅱ，在芳香族聚酰胺系列中排名第一，而且不存在UHMWPE纖維的耐熱性差與易蠕變等問題，用芳綸Ⅲ制造的防彈裝備更輕、更薄。同時，芳綸Ⅲ作為非常重要的戰略物資，在國防、航空航天領域具有重要應用價值，目前只有俄羅斯和中國能工業化生產。

表1 幾種纖維的比較

表2 三種熱固性樹脂的比較

目前國產芳綸Ⅲ正通過改進工藝流程，采取節能、降耗，減排等措施提高生產效率、降低生產成本并擴大產能，使芳綸Ⅲ成為高性價比的防護材料，能夠在防彈領域發揮更大的作用，這也將大力提升我國防護裝備的水平。已成功研制出防彈衣、防彈頭盔、防彈裝甲等[13]。

3.3 PBO纖維復合材料

PBO纖維具有較高的耐熱性能，就是因為纖維在高溫、高壓和惡劣化學環境下具有較高的穩定性。但纖維不易與樹脂浸潤，且纖維與樹脂基體結合的界面性能差，其主要原因是PBO高分子的取向結構有序及纖維表面光滑，纖維內部絕大多數是極性雜原子，由于這些原子特性在纖維的綜合性能上影響較大，使得PBO纖維在某些領域如先進復合材料中的應用前景受到較大影響[14]。

為改善PBO纖維與樹脂基體的界面粘結性能，對其表面采用相關方法進行處理，化學處理、輻射、等離子體處理和電暈處理等的研究比較多。

PBO纖維綜合性能十分優異，主要產品有長絲、短纖維、短切纖維和紗線。PBO纖維長絲作為補強增強材料用于塑料、彈道導彈、混泥土、橋梁斜拉繩索、航空器機身材料中；PBO纖維的短纖維和漿粕可以作為摩擦材料、密封墊、塑料、樹脂等的補強增強材料；PBO短纖維織品可制作耐熱緩沖墊、過濾袋、熱防護皮帶等；PBO纖維紗線可制作消防服、工作服、賽車服等各種防護服[15]。

3.4 超高聚乙烯纖維復合材料

UHMWPE纖維強度和模量較高，僅次于碳纖維；斷裂伸長率比碳纖維、對位芳綸高，柔韌性好；在高應變率和低溫下仍具有良好的力學性能；抗沖擊能力優于碳纖維、芳綸及一般玻璃纖維，是一種理想的防彈、防刺安全防護材料；其復合材料的比沖擊總吸收能量是碳纖維的1.8倍、芳綸的2.6倍、E-玻璃纖維的3.0倍；其復合材料的防彈能力是芳綸裝甲結構的3.6倍，防彈頭盔是相同效果的UHMWPE 纖維頭盔質量的2/3[16]。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維的編織結構對復合材料的防彈性能具有重要影響，不同編織結構混雜可以得到防彈性能更優異的復合材料板。梁子青等采用UHMWPE纖維正交鋪層、平紋、斜紋和緯編雙軸向織物結構作為增強體，以低密度聚乙烯為基體，制備出防彈復合材料。研究結果表明，正交鋪層結構為最佳，其中，二維機織物結構不足之處是彎曲的紗線會使紗線本身存在一定的內應力，導致紗線在受到破片沖擊時抗剪切能力下降[17]。李勇等對經編雙軸向織物以及梁子青等對緯編雙軸向織物的抗沖擊性能研究表明，相對普通機織布，雙軸向織物載荷響應更快[18]。高恒等以無緯布和二維織物為增強相，制備復合靶板材料，防彈性能測試表明，二維織物結構與單向鋪層結構混雜使用時其防彈性能要優于單獨使用一種編織結構的，且混雜結構的使用更能抵御子彈侵徹和抵抗多發彈的打擊。肖露和柴曉明等研究了層間混雜對防彈性能的影響，結果表明，相對單一纖維增強復合材料，層間混雜結構明顯提升了復合材料的防彈性能，充分發揮了厚度方向上不同纖維的作用[19]。

UHMWPE纖維作為新興起的防彈纖維，必然存在一些方面的不足，比如熔點低等。只有進一步改善UHMWPE纖維性能，才能使其應用到更多的領域。

4. 防彈復合材料的應用

防彈材料的研發和生產體現了國家的軍事實力，是維護國民安全的重要保證。現代防彈材料的發展日新月異，已逐漸從單純的防御性能向功能性、靈活性和經濟性并存方向發展[20]。

纖維防彈復合材料可以應用到生產生活中的多方面。

例如，在體育用品中，可以制作成為安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、球拍及自行車、滑翔板、超輕量飛機零部件等。在船體建材中可以采用新型優良的高性能纖維防彈復合材料代替高強度鋼、高屈服強度鋼的抗沖擊材料。在航天工程中，由于纖維復合材料比重小和抗沖擊性能好，適用于各種飛機的翼尖結構、飛船結構和浮標飛機等。也能用來作為航天飛機著陸的減速降落傘和飛機上懸吊重物的繩索。在醫學方面，可以用于醫用手套和其他醫療措施等方面。

5. 發展趨勢

纖維復合材料在船體及航空航天領域上的應用是未來的發展趨勢，但將該纖維復合材料廣泛應用到多功能、高速度等大型載體上時仍存在很多缺陷。

因此，分析纖維性能、基體性能、界面性能以及纖維的編織結構對復合材料的防彈性能的影響，對提升纖維復合材料的抗沖擊性能以及對艦船的發展都具有重要意義。UHMWPE纖維因其優良的性能，使其目前在纖維復合材料研究中有很高的分量。