防彈無緯布的研究概況

馬華菁 時娟娟 沈文東 曹海建 黃曉梅

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226400）

1 無緯布的概況

目前國內外主流的無緯布是采用超高分子量聚乙烯（以下簡稱UHMWPE）纖維或芳綸為基材，經特種設備均勻鋪絲，用高強彈性體樹脂浸漬涂膠和薄膜黏合，再經0°、90°雙正交復合層壓而成的高強、質輕防彈材料，是制作高性能軟質防彈衣的核心材料［1］。無緯布能夠快速吸收、擴散子彈高速沖擊波，具有較好的防彈性能［2］。

當織物受到子彈或彈片沖擊時，應力波在織物內部快速擴散。機織物中紗線的交織點會反射應力波并與入射波疊加，疊加后的應力波會造成紗線斷裂，從而降低織物的防彈性能［3］。在沒有交織點的材料上，應力波能夠快速消散，從而獲得較好的防彈效果。無緯布中紗線沒有真正的交織點，因此具有良好的防彈性能。

2 無緯布的成形工藝

目前，制備無緯布的形式主要有無緯布大批量生產線和輥筒式無緯布機兩種。國內企業自主研發且應用的是防彈無緯布間歇式生產裝置，由一名操作工利用單臺機器完成全部工序；實驗室制備無緯布則大都采用輥筒式無緯布機。顧冰芳等人在無緯布機上壓制了UHMWPE無緯布疊層［4］20；李焱等人利用排布設備使UHMWPE紗線退繞后浸膠，經卷繞成為單向纖維層，裁切后以0°、90°相互層疊并模壓制成了無緯布［5］7。

3 無緯布的力學性能

無緯布的力學性能包括拉伸、剝離、剪切等基本力學性能。

溫垚珂等人研究了無緯布準靜態載荷下的力學性能，以UHMWPE無緯布為研究對象進行了一系列的力學試驗［6］，結果表明：在拉伸過程中試件的應力應變基本呈線性變化，面內剪切試件的力-位移曲線呈非線性變化。ZHENG Zhen等人采用T-剝離試驗對UHMWPE纖維/SEBS的界面黏結性能進行了測試［7］，結果表明：對于單膜和無膜無緯布復合材料，壓力的變化比溫度的變化更為顯著。LI Chen等人對UHMWPE纖維層合板進行準靜態拉伸測試［8］，結果表明：層合板的力學性能對厚度不敏感，而層合板的彈性模量及強度都隨應變速率的增加而增加。LINUS Gediminas對UHMWPE纖維層合板進行了拉伸試驗［9］，結果表明：UHMWPE纖維層合板的拉伸有明顯的斷裂點和線性延伸性。RUSSELL B P等人采用壓電式力傳感器裝置對UHMWPE纖維層合板進行了力學性能測試［10］，結果表明：UHMWPE纖維層合板中纖維的破壞強度和破壞應變對應變率幾乎不敏感，在低應變率下，層合板中纖維的蠕變占主導，其破壞應變隨著應變率的降低而增加。劉元坤等人對芳綸無緯布進行了剝離試驗，測試了其層間黏合力［11］77，結果表明：纖維退繞張力與纖維強度損傷呈線性關系；認為在制備時張力應盡可能小，但同時也要保證無緯布的各項性能。

4 影響無緯布防彈性能的因素

影響無緯布防彈性能的因素主要包括纖維混雜、纖維的展絲寬度、成形溫度及壓力、樹脂含量、樹脂種類、面密度、層數等。

4.1 纖維混雜

無緯布中不同纖維的比例、混雜結構對彈道沖擊下的防彈效率有著重要的影響。梅志遠等人對3種層間混雜層合板的防彈效率及其橫向防彈模式進行了研究［12］，結果表明：不同混雜結構的纖維層存在吸能變形模式和防彈機理差異，且會影響不同混雜結構防彈效率的發揮。

4.2 纖維的展絲寬度

纖維展開得越寬，越能發揮其防彈性能，利用率越高，但在實際生產中纖維被展開得越寬，需要的牽引力越大，對纖維的性能損傷也越大，從而會降低其防彈性能。因此，確定合理的展絲寬度對無緯布是十分重要的。方心靈等人研究了不同展絲寬度芳綸無緯布的防彈性能，結果表明：在彈速基本相同的情況下，芳綸展絲寬度在2.0cm～3.0cm時，無緯布的凹陷相對較小，穿透層數相對少，此時的靶片防彈性能較優；但當芳綸展絲寬度超過3.0cm時，靶片的防彈性能有所下降［13］。

4.3 成形溫度及壓力

成形溫度對無緯布的制備十分關鍵。由于無緯布在彈擊時的彈道吸能主要是依靠無緯布中的纖維拉伸破壞，因此在成形過程中不可損傷纖維強度，而成形溫度將直接影響材料中纖維的拉伸強度。例如UHMWPE纖維，該纖維中晶區與非晶區同時存在；當成形溫度較高時，纖維中的晶區會轉化為非晶區，使纖維的結晶度降低，導致強度下降。對于芳綸無緯布，劉元坤等人的研究表明：層間黏合力隨著溫度的增加先升高后降低，當層間黏結力在20 N時，芳綸無緯布的防彈性能最佳，復合處的最佳工藝溫度為80℃［11］79。

成形壓力對于無緯布防彈性能的影響也較為突出。對于UHMWPE無緯布靶板，孫志杰等人對不同成形壓力的無緯75靶板進行彈道測試［14］，結果表明：成形壓力在2.5 MPa以下，纖維層間的黏合強度不夠，壓力越小，分層越嚴重，吸能越小；當壓力升高到一定程度后，層間比較緊密，纖維與樹脂之間作用增強，有利于應力波的傳播，隨著壓力的升高，吸能增大；當壓力達到12.5 MPa時，此時靶板的彈道性能最好；此后，隨著壓力的增大，樹脂開始向層間滲透，致使靶板剛度提高，參與拉伸的纖維減少，剪切破壞的纖維增多，吸能下降。方心靈等人研究發現，當芳綸無緯布的成形壓力為1 MPa時，其防彈性能較差，當壓力提高到4 MPa時，靶板的防彈性能提高，當壓力超過5 MPa時，靶板的防彈性能明顯下降［15］22。

4.4 樹脂含量

樹脂的含量影響著復合材料的防彈性能。樹脂含量太低，不能夠很好地被覆纖維，纖維較松散，且纖維層間黏接強度過低，在子彈的高速沖擊下纖維易滑移，導致參與防彈的有效纖維減少，從而降低復合材料的防彈性能［16］。

方心靈等人對30層芳綸無緯布進行彈道測試，結果表明：當無緯布樹脂含量在15%～25%時，樹脂能夠很好地被覆纖維，纖維間黏合較好，層與層之間的強度也較高，在受到子彈沖擊時纖維和樹脂協同作用較好，靶片整體防彈能力較高；當樹脂含量低于15%時，樹脂不能很好地被覆纖維，纖維層間黏合較差，纖維間束縛力過小，在受到子彈沖擊時纖維易被子彈擠向兩邊，子彈從纖維孔隙穿過，層間力較小也使靶片容易分層，防彈性能較差；當樹脂含量高于25%時，纖維排列有序且外觀平整，但較高的樹脂含量束縛了纖維拉伸性能的發揮，纖維脆化，纖維層間剝離強度過大，當受到子彈沖擊時纖維會大量剪切斷裂，從而降低了靶片的防彈性能［15］23。

陳磊等研究發現，防彈材料中所用樹脂含量一般在30%以下［17］。方心靈等人的研究也表明：當樹脂含量為20%左右時，芳綸無緯布的防彈性能最好［13］41。

李焱等人制備了不同含膠量的水性聚氨酯/UHMWPE纖維無緯布，測試結果表明：當無緯布中樹脂含量在24%左右時，其防彈性能達到最大值，樹脂含量繼續增加，其防彈性能下降［5］7。

4.5 樹脂種類

樹脂對防彈無緯布的作用在行業內有統一的認識。樹脂將纖維黏結在一起，使無緯布作為一個整體承受外部載荷，將能量從靶板上表面傳到下表面、從最前端傳到最末端；在子彈的沖擊下，樹脂會產生裂紋，吸收小部分子彈能量和彈體動能［18］。

對于不同的增強體，所用樹脂要求不同。UHMWPE纖維無緯布所用樹脂要求：一是能提高界面黏合力，具有良好的浸潤性；二是固化溫度不能高于120℃，這是由于UHMWPE在熔點150℃以上處于橡膠態，延展性差，受力易斷裂，對無緯布的防彈性能影響較大，且樹脂所用的溶劑必須低毒、易揮發［19］。

對于芳綸無緯布，方心靈等人研究了樹脂組成和化學用途，對比了不同樹脂復合而成靶片的V 50值［20］，結果表明：苯乙烯一異戊二烯一苯乙烯共聚物的V 50值高于氫化苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值。

4.6 面密度

周慶等人采用對位芳香族聚酰胺纖維和環氧樹脂復合制備了系列無緯布［21］2246，防彈性能測試結果表明：對于各項參數相近的靶片，其防彈性能隨著單層面密度的增大呈現整體上升、局部波動的趨勢。陳虹等人制備了不同面密度的芳綸無緯布靶片，測試了其V 50值以及相應的比吸能值［22］，結果表明：隨著無緯布面密度的降低，相應靶片的比吸能值先增大后減小，當靶片面密度為210 g/m2時，防彈性能最好。

顧冰芳等人對不同層數的UHMWPE無緯布靶板進行了彈道性能測試［4］22，結果表明：隨著面密度的增加，靶板的抗侵徹性能也隨之提升，但不同的彈道性能指標與面密度的關系不同，彈道極限速度與靶板面密度基本呈線性關系；彈道吸能值與靶板面密度呈二次拋物線關系。

4.7 層數

靶片的防彈性能受無緯布層數的影響。層數越多，其纖維的數量也就相對越多，當靶片受到子彈沖擊時，穿透的無緯布通過纖維斷裂、布樣分層消耗子彈的沖擊能量，同時未穿透的無緯布起到了能量分散的作用［23］。

5 無緯布的防彈機理

無緯布的防彈機理研究主要包括無緯布的抗侵徹貫穿特性、材料的防彈機理等。

周慶等人研究了對位芳香聚酰胺纖維環氧樹脂層合板［21］2236，結果表明：4層單向結構片材的彈道性能優于兩層單向結構片材，主要是因為4層單向結構片材中纖維層之間協同效應更強。

熊杰等人對PVA無緯布靶板進行了彈道性能測試，結果表明：靶板沖擊穿孔以后產生大的殘留變形，出現明顯分層，在子彈速度接近靶板的彈道極限速度時，PVA無緯布靶板以塑性大變形、分層和纖維斷裂來吸收能量；錐形彈體在侵徹過程中，周圍的纖維與樹脂受擠壓而產生變形；與彈體表面接觸或靠近錐體表面的纖維以及靶板背面鼓凸區域的纖維均隨著彈體的侵徹而被拉伸；纖維斷裂前，應力沿著纖維向外傳遞，使纖維與樹脂脫黏；由于纖維顏色比樹脂顏色淺，從而形成一個“十”字形向外延伸的泛白區域［24］。

王緒財等人研究了UHMWPE無緯布在多彈丸作用下的彈道性能、結構損傷和變形破壞特征，結果表明：經多發子彈侵徹后，靶片的防彈能力明顯下降，且分散性隨之變大；結構緊密的樣品對彈丸產生的阻力遠大于結構疏松樣品產生的阻力［25］。

VAN Der Werff等人測試了UHMWPE無緯布的彈道性能，認為穿透機制是一個漸進的過程。穿透的無緯布片數和彈片沖擊速度之間存在線性關系，當彈片穿透一層無緯布時會損失一定量的沖量，而不是能量，且彈片沖量的損失與彈片在無緯布上的沖擊速度無關［26］。

TOMASZ Cwik等人對芳綸無緯布、UHMWPE無緯布進行了彈道性能測試，結果表明：在沖擊時彈片不會影響無緯布的面內響應，但會影響面外響應；芳綸無緯布靶板的前表面在彈丸穿透過程中經歷了小于1%的拉伸應變；靶板背面的初級和次級紗線受到的應變不超過2%，且與沖擊速度無關；芳綸無緯布靶板的剪切變形大約是UHMWPE無緯布靶板的兩倍［27］。

TAYLOR J W和MORYE S S等人提出了相似的柔性層合板彈道沖擊吸能分析模型，認為柔性層合板在彈道沖擊下，在沖擊點附近會形成錐形區，層合板的彈道吸能主要由纖維的拉伸斷裂應變能、纖維層的變形動能組成［28-29］。

焦亞男等人、楊坤等人發現高速鋼芯彈侵徹纖維增強樹脂基復合材料裝甲板是逐層侵徹破壞的，裝甲板的破壞方式主要為迎彈面纖維剪切沖塞、中部纖維拉伸后斷裂、背彈面纖維拉伸并伴隨分層和背凸［30-31］。

楊麗麗等人研究了UHMWPE層合板的抗侵徹性能與靶板厚度的關系，認為隨著靶板厚度的增加，其吸能也隨之增加，但有一個拐點；在拐點之后，靶板厚度的增加反而使靶板吸能降低，也即防彈性能變差；通過測試0.4cm、0.6cm和0.8cm的靶板抗侵徹性能，認為0.6cm是靶板厚度拐點，此時靶板的抗侵徹性能最優［32］。

6 相關防彈標準

與無緯布軟質防彈材料相關的標準主要有美國的NIJ 0101.06《防彈服防彈性能》和我國的GA 141—2010《警用防彈衣》、GJB 4300A—2012《軍用防彈衣安全技術性能要求》［33-34］。美標和國標在防護等級、槍彈類型、子彈速度以及凹陷深度等方面有差異。

美國的NIJ 0101.06按照防彈性能水平，對防彈服分5種類型，分別為ⅡA型、Ⅱ型、ⅢA型、Ⅲ型和Ⅳ型。其中，最常用的為ⅢA型，所用的槍彈類型為9 mm 0.357 SIG手槍全金屬外殼平頭（FMJ FN）槍彈，彈速為448 m/s，或0.44 Magnum轉輪手槍半外殼空心頭（SJHP）槍彈，彈速為436 m/s。要求最大凹陷深度不大于44 mm，每種威脅情況背襯凹陷深度超過44 mm的幾率小于20%，可信度達到95%。

GA 141—2010按防護要求將防彈衣分為6個等級，分別為1級、2級、3級、4級、5級、6級。其中，2級和3級最常用。2級的槍彈類型為1951年式7.62 mm鉛芯手槍彈，彈速為445 m/s；3級所用槍彈類型為1951年式7.62 mm輕型沖鋒槍彈，彈速為515 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。GJB 4300A—2012根據不同彈道防護性能要求，將軍用防彈衣防護等級分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。其中，最常用的是Ⅱ級，所用的槍彈類型為1951年式7.62 mm鉛芯手槍彈，彈速為445 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。

7 結語

本研究從無緯布的制備、力學性能、防彈性能、防彈機理以及防彈標準等方面介紹了近年來國內外學者對無緯布及其制品的研究概況，希望為從事無緯布及防彈衣研發的科研工作者提供技術參考和研發思路。從國內外諸多學者的研究中也可以發現，對無緯布及防彈衣仍有一些領域需要探究。首先，已有的研究大多集中在宏觀力學層面上，難以準確地反映無緯布的細觀損傷行為，因此需要建立無緯布細觀力學本構模型。其次，需要研制相關測試儀器，以便于深入測試和分析無緯布的彈道損傷機理及能量吸收機制，為優化無緯布的性能提供理論指導。