超高分子量聚乙烯纖維防護機理研究綜述

莫根林，劉 靜，金永喜，閆文敏

(1.杭州職業技術學院，浙江 杭州 3100182；2.江蘇大學 先進制造研究院，江蘇 鎮江 212013；3.瞬態沖擊技術國防科技重點實驗室，北京 102202)

1 引言

自第一次世界大戰以來，防彈衣成為單兵防護裝備的重要組成部分，在減少部隊作戰人員傷亡、提高單兵生存能力、增強作戰效能方面發揮著重要作用。高性能纖維增強復合材料由于具有重量輕、防護性能高、無二次殺傷效應等優點，在軟體防彈衣和硬體防彈衣中獲得了廣泛應用[1]。

纖維是高性能纖維增強復合材料結構的主要承載部分，它經歷了從高強尼龍、高強玻璃纖維、碳纖維到芳綸、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等特種纖維的更新換代過程。表1為各種纖維的靜態拉伸力學特性，UHMWPE纖維具有較高的斷裂伸長率(3.7%)，比強度是芳綸纖維的1.48倍，具有良好的能量吸收特性。同等面密度情況下，防彈能力比芳綸纖維抗彈復合材料高約25%[5-7]。在此背景下，通過研究UHMWPE纖維增強復合材料靶板的防護機理提高靶板的防護性能成為當前研究熱點。

表1 纖維的靜態力學特性[2-4]

2 UHMWPE纖維的力學性能

Kromm等[8]研究了應變率為0.001～0.01 s-1時70～140 ℃溫度下SK75纖維束的力學特性；Huang[9]研究了UHMWPE纖維束在25 ℃、70 ℃下應變率為300 s-1和700 s-1時的力學性能；Russell等[10]研究了應變率為0.001～0.1 s-1時UHMWPE纖維束的力學特性；Koh等[11]采用Hopkinson桿研究了Spectra 900纖維束在應變率為100～400 s-1左右時的力學性能；張華鵬[12]利用Hopkinson桿研究了SK65纖維束在應變率為900 s-1時的力學性能和破壞模式，并利用弱環理論分析了纖維的強度分布特性；王庭輝等[13]采用Hopkinson桿測量了UHMWPE纖維在應變率2 500 s-1左右時纖維束的力學性能。上述研究結果表明：UHMWPE纖維具有顯著的溫度效應、應變率效應和尺度效應，即隨著溫度升高，纖維的彈性模量降低，70-140 ℃時其拉伸強度明顯降低；纖維的彈性模量隨應變率的增加而降低；拉伸強度對低應變率不敏感，對高應變率敏感；纖維的斷裂應變隨應變率的增加而降低；纖維束的拉伸強度只有纖維強度的1/3～1/2，延伸率卻比纖維的高2.7倍以上。

由于UHMWPE纖維是高度取向的各向異性材料，一些研究者對UHMWPE纖維其他非拉伸方向的力學性能進行了研究。Sun[14]研究了Spectra纖維的剪切-拉伸雙向靜態和動態應力-應變關系，結果表明：隨著剪應變增加，拉伸強度減小。Hudspeth等[15]研究了SK76纖維在剪切-拉伸作用下纖維的力學特性，結果表明：隨著拉應力增加，纖維的剪切強度增加、失效應變減小。Guo等[16]研究了SK76纖維的橫向靜態壓縮性能，利用Hopkinson桿研究其沖擊壓縮性能，結果表明：纖維在壓縮應變小于50%時的應力-應變曲線沒有顯著的應變率效應。

3 UHMWPE單向布的力學性能

按照預制體的結構，纖維增強復合材料可分為一維連續結構、二維平面結構和三維整體結構；按照預制體的織造工藝，又可分為編織、機織、針織和縫合等類型。為避免纖維在織造過程中的強度損失，UHMWPE纖維主要以單向布或正交復合的單向布——無緯布(兩層單向布復合而成)作為復合靶板的組成單元。

曾慶敦[17]和李紅周等[18]總結歸納了經典剪切滯后理論、鏈式統計模型、裂紋擴展模型、蒙特卡洛模擬在單向復合材料中的應用；Romanov等[19]、Ismail等[20-21]和Elnekhaily等[22]考慮單向布中纖維的不均勻分布特性，數值模擬研究了單向布的拉伸特性；Nazarian等[23]研究了無緯布的面內剪切應力-應變關系，假設無緯布層內由互補相連的筋板構成，數值模擬分析了無緯布的剪切變形情況；宋娜[24]和韓學群[25]通過內聚力單元法研究了準靜態條件下無緯布層合板的層間分層現象；針對UHMWPE纖維表面非極性、與樹脂粘結性能較差的缺陷，肖干[26]、王成忠等[27]、黃獻聰[28]、邱軍等[29]分別采用低溫等離子表面處理、液相氧化-涂覆、電子束輻照和紫外接枝等工藝改善了UHMWPE纖維復合材料的力學性能；劉術佳[5]和Neema等[30]則分別研究了微顆粒改性樹脂和納米改性樹脂對UHMWPE復合材料力學性能的影響。上述研究表明，單向布和無緯布的力學特性不僅和纖維、樹脂本身的力學特性有關，還和纖維與樹脂的結合界面、纖維布中纖維的分布特性等因素有關。

4 UHMWPE單向布復合靶板的力學性能

為達到相應的防護性能要求，單向布或無緯布通常以復合靶板的形式使用，主要包括：軟防護靶板和硬質層合板(以單層之間是否粘結區分)。按照研究手段的不同，它們抗侵徹機理的研究可分為實驗研究，理論研究和數值模擬研究。

4.1 實驗研究

對于軟防護靶板，Chocron等[31]研究了彈頭侵徹條件下單向布窄條和無緯布的變形運動規律；Karthikeyan等[32]研究了UHMWPE單向布鋪層角度對防護性能的影響規律。文獻[33-34]研究了UHMWPE改性樹脂基無緯布的拉伸強度、抗彎強度和層間剝離強度；梁子青等[35]研究了基體含量對UHMWPE多層無緯布抗手槍彈侵徹性能的影響；高恒等[36]研究了UHMWPE纖維平紋織物與無緯布復合靶板的抗彈性能。Tan等[37]對比研究了平頭彈和尖頭彈侵徹Spectra單層無緯布的破壞模式。

對于硬質層合板，L?ssig等[38]和Long等[39]通過實驗設計獲得了UHMWPE層合板的本構模型和破壞準則；李思輝[40]通過落錘沖擊實驗研究了不同鋪層角度UHMWPE層合板的能量吸收性能；張典堂等[41]通過落錘沖擊實驗研究了UHMWPE層合板的破壞損傷模式和剩余壓縮強度；Yang等[42]和Karthikeyan等[43]分別研究了彈頭和球形破片侵徹層合板的破壞模式；Karthikeyan等[44]和王曉強等[45]分別研究了立方體破片侵徹性能隨層合板厚度和破片入射角度的變化規律；Tomasz等[46]對比研究了2種UHMWPE纖維層合板的變形破壞模型。Zhang等[47-48]對比研究了UHMWPE無緯布、二維平紋和三維正交復合材料的防彈性能、破壞模式和背板鼓包變形規律。張佐光等[49]，孫志杰等[50]和張大興等[51]研究了UHMWPE層合板彈道吸能隨面密度、彈速、成型壓力、樹脂基體含量的變化規律。

上述研究表明，侵徹條件下UHMWPE復合材料靶板會發生層間分層、層內開裂、纖維拔出等物理現象；靶板的防護性能與眾多因素有關，包括樹脂的種類與含量、纖維的力學性能、纖維與樹脂的結合性能、靶板的結構和尺寸、彈頭的外形和結構、彈頭的入射角度和速度等。為獲得符合要求的靶板，設計者需要消耗大量的精力進行實驗研究。為降低實驗成本，研究人員從理論和數值模擬方面對靶板的防護機理進行了研究。

4.2 理論研究

Navarro等[52]、Parga-Landa等[53]和Sánchez-Gálvez等[54]假設纖維為彈性材料，不考慮軟防護靶板的分層效應，基于波的傳播理論建立了彈頭正侵徹單向布和平紋織物的理論模型；Phoenix等[55]考慮UHMWPE和Kevlar復合靶板的分層現象，建立了彈頭正侵徹復合靶板的理論模型；Long等[56]將彈頭侵徹靶板的物理過程分為剪切階段和背板鼓包階段，建立了彈頭侵徹靶板的彈道極限模型；Sánchez-Gálvez等[57]基于波傳播理論，分析了侵徹過程中靶標主紗線、側紗線的變形能和動能、靶板的層間開裂和剪切沖塞效應，建立了彈頭斜侵徹無緯布層合板的理論模型；Chocron Benloulo等[58]和莫根林等[59]基于彈塑性理論分析了復合材料背板的變形運動，建立了彈頭侵徹陶瓷/復合材料靶板的理論模型。總體而言，這些彈道模型在一定程度上滿足了靶板防護性能的評估要求。由于模型通常沒有考慮彈頭材料以及靶板材料的本構模型和破壞準則，其適應范圍有待進一步的實驗驗證。

4.3 數值模擬研究

L?ssig等[38]和Long等[39]建立了球形破片侵徹UHMWPE無緯布層合板的宏觀有限元模型，分析了模型參數對彈道極限的影響規律；為進一步分析靶板的纖維斷裂、滑移、抽拔等破壞現象，Utomo[60]采用索單元作為纖維束的近似單元，建立了單向布的細觀有限元模型；Barauskas等[61]在彈頭沖擊區域使用纖維和樹脂構成的窄帶模型替代單向布真實結構，在遠離沖擊區域使用均質正交各向異性殼單元替代單向布，實現了彈頭侵徹無緯布的多尺度模擬。卓星伯通過建立單向布的纖維束模型、均質材料模型和兩者的混合模型，對比研究了彈頭侵徹單向布軟防護靶板的運動規律。Chocron等[62-63]利用宏觀有限元模型和窄帶模型研究了彈頭侵徹多層單向布的運動過程。Kudryavtsev等[64]建立了無緯布的窄帶模型，并通過數值模擬研究了彈頭侵徹多層無緯布的運動過程。上述研究表明，有限元模型考慮了靶板的組織結構和材料力學特性，在彈道極限和靶板鼓包變形方面能夠獲得較好的模擬結果。然而，模型中的本構模型和破壞準則的相關參數通常與材料的加工處理過程有關，現有研究尚未有效揭示它們之間的定量關系。

5 結論

1)UHMWPE纖維具有比強度、比模量高的優點，在現代國防和高科技產業中發揮著越來越重要的作用，特別是在防彈裝備上占據重要位置，具有極大的市場前景。

2)為設計出性能優越的防護裝備，需要繼續在本構模型和破壞準則方面探討UHMWPE纖維及其復合材料靶板的力學特性，拓寬現有研究成果的適用范圍，進一步研究UHMWPE單向布復合靶板在復雜力學狀態下的力學響應和UHMWPE單向布復合靶板在侵徹條件下的破壞準則，尤其是纖維的斷裂和靶板的分層鼓包準則。

3)在優化防彈裝備的過程中，不僅需要注意制備工藝的影響，還需要充分發揮其他先進材料的優點，通過UHMWPE纖維和這些材料的復合，制備出各方面性能均較為優越的防護裝備。