柔性材料的抗彈機理

郭一諺 姜玉海 郭 瑞

（1．中國兵器集團第五二研究所煙臺事業部，山東 煙臺 264003；2．沈陽地區駐包頭第一軍代室，內蒙古 包頭 014033）

綜合使用高科技和高性能材料的現代武器裝備，其靈活性、殺傷性、威懾性和精確打擊能力不斷提高，而防護裝備既要考慮抗打擊能力，又要考慮裝備的機動性，因而促進了新型復合材料的發展。與傳統的鋼質防護相比，多層復合輕質裝甲中使用的柔性材料質量更輕（面密度更小），防彈能力卻更加優異，是輕質復合裝甲的理想材料。

1 常用柔性材料

經過二維或三維編織制備的柔性材料具有較強的拉伸強度和高模量。柔性材料增加了纖維密度，吸收的沖擊能量越多，彈道極限越小，在工程防護、汽車制造航空航天和武器防護等方面有廣泛的應用[1]。如美國陸軍Bradley戰車的炮塔裝甲，英國Plastechnol公司的輕型復合材料的裝甲板[2]。在輕質防護中常用的柔性增強復合材料有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維和超高分子量聚乙烯等，見表1。

表1中，常用的這幾類柔性材料質量輕、模量高、抗沖擊強度高、斷裂韌性好、耐腐蝕且耐高溫濕熱性能好，在受到沖擊破壞時能夠有效地吸收能量。

表1 常用柔性材料

2 柔性材料的抗彈機理

當今的制備工藝能夠把大塊面積的原材料制成直徑微小的纖維絲，以彈性彎曲的形式附著在復雜模型表面上，便于把強度高、剛度大的材料加工成復雜的模型，獲得更高的強度，斷裂比率也減到更小。據典型的彈性假設，軸向應變可表示如公式（1）所示。

式中：d為纖維絲的直徑；ρ為彎曲纖維絲的曲率。

例如直徑為7 μm的纖維絲制成曲率2.54的彎曲，此纖維絲的軸向應變是1.38×10-3。這種方法在不損傷纖維 的情況下可以成型很小的復合材料零件[3]。

構成柔性材料的纖維絲最常見的結構包括：1）線性同向鋪排。2）經線、緯線以一定的角度二維交織，如平紋、緞紋。3）三維編織。

對于柔性材料常見的平行排列纖維束的形式，1986年美國提出了關于簡單的平行排列纖維束的橫向壓縮的彈性形變模型對線性流體剪切力與形變速率的關系，如公式（2）所示。

式中：α單元體受力點的取值為i或j=1時α=L（縱向），其他情況下α=T（橫向）；τij=0時所有軸向應力都做彈性處理；dx為纖維的直徑；η為線性流體剪切力。

近幾年，隨著對其特殊力學性能和抗沖擊吸能效果的認識逐漸加深，學者們對柔性材料的抗彈機理進行了許多研究，確定了影響材料抗彈性能的是纖維絲的剪切和拉伸變形[4]。無論是二維形式交織的纖維絲還是三維形式交織的纖維絲，柔性織物的相交纖維絲形成的最小單元體在某點受到沖擊都會產生形變，如圖1所示。

在形變的過程中，纖維絲長度和單元體的高度隨之發生變化，單元體在相交的2個方向都會產生形變，如公式（3）所示。

式中：L、h分別為單元體的著力點受力時，單元在形變后的長度和高度；Δx、Δy分別為單元體受力時纖維在x、y方向的變化。

ex（e1、e2）與纖維絲橫截面面積A及纖維束的體積含量相關的經驗公式如公式（4）所示。

式中：Vf為變化后平均纖維體積含量；V0為變化前平均纖維體積含量；A0為變化前纖維絲橫截面面積；h0為變化前纖維高度。

可以看出，與線性同向平行鋪排的纖維束只有縱向剪切和橫向剪切兩種受力模式不同。在平面交織的纖維中，經緯方向以角度90°交叉編織的平紋織物，其單元體在經、緯方向的交織頻率最高，每個單元體以更緊密的方式排列組合。由于纖維絲的屈曲程度較大，每個著力點受到的力在經、緯方向傳遞效率最高，因此能形成柔韌性更大，整體性結構更強的織物[5]。

單層織物在受到沖擊時，主要經歷吸能的四個階段：1）被拉直的纖維絲束對沖擊力產生的阻力隨著沖擊力的增大而增加。2）當少量的纖維絲斷開，相鄰的纖維絲束會向著力點聚集，更多的纖維絲束產生應變力，形成對沖擊力的阻力，沖擊力被集中在較小范圍內。3）隨著時間的增加，當纖維絲束受力達到峰值后，越來越多的絲束被拉扯斷，著力點外圍的纖維不斷地向著力點周圍補充，使沖擊力受到的阻力再次增大。4）直到斷裂口增大到能夠徹底穿透織物，來自纖維絲束的阻力才急劇下降，沖擊物與纖維絲之間只剩少量的摩擦力。

3 試驗

柔性材料主要是利用纖維絲束的塑形變形和斷裂來吸收沖擊的動能。纖維束之間的內摩擦也可以改變最大應力的分布狀態，增加對彈丸沖擊的阻力。利用多層纖維織物疊鋪的多層結構，可以最大限度利用纖維吸能特性，避免應力集中，加快纖維對沖擊力的響應速度[6]。但是疊鋪層結構的纖維層與層之間容易發生滑移現象，通常用膠黏劑把多層的纖維復合成多層復合材料，膠黏劑滲入纖維絲束間的孔隙中，使纖維絲束結合更加緊密。

3.1 柔性材料試驗

在實彈試驗中，用膠黏劑把多層的某柔性材料復合成12mm厚度的復合靶板，采用100m/0°防53式7.62mm穿燃彈，彈丸以V25≥781 m/s的速度高速沖擊四角固定的纖維復合材料靶板，試驗結果如圖2所示。

從圖2可以看出，纖維復合材料在彈丸的沖擊下出現了特有的侵徹貫穿、分層破壞、剪切充塞和拉伸斷裂現象。纖維復合材料迎彈面的剪切破壞和背面隆起變。

在彈丸侵徹的過程中，纖維絲在彈丸高速剪切的作用下沿著經、緯方向發生剪切破壞、斷裂。應力波在纖維絲束之間連續反射，形成拉伸并破壞纖維絲束。分析未穿透著彈點的層間彈孔的2張試驗照片，即圖2（d）和圖2（e）可知，交錯的纖維絲束的拉伸力和阻力之間的相互作用使應力波在整個復合材料層上傳播，彈丸的沖擊力被復合材料大面積吸收，復合材料的前層發生充塞，應力波在隔層之間不斷地來回反射、迭加。

隨著纖維絲束斷裂，復合材料粘層分層，彈丸完全貫穿復合材料后繼續向前運動，纖維絲束也因慣性隨著彈丸向前運動，在應力波作用下發生相對運動和一定程度的彈性變形。彈著點附近的纖維因相對運動和彈性變形出現了以彈著點為中心的鼓起，如圖2（f），復合材料產生了形變。

彈丸在侵徹過程中，柔性材料纖維絲束的阻力使彈丸受到壓縮，當此作用的強度達到彈丸本身的屈服強度時，彈丸就會發生塑形變形。纖維復合材料的整體力學強度如公式（5）所示。

式中：fs為復合材料的最大阻力；ρA0為純纖維面密度；ρAs為復合材料面密度。

從圖2（c）可看出，纖維復合材料離彈著點最近的邊緣明顯發生分層、開裂。如圖2（d），彈丸大約穿透第12層時，沖擊能量被完全消耗，至第13層即圖2（e），已經看不到彈著點的痕跡。隨著時間的增加，纖維復合材料背部的鼓起增大，當達到最大時，纖維的相對運動和彈性變形逐漸減小、消失，纖維復合材料背部的鼓起也逐漸定型。

3.2 復合多層結構中的作用

在實際應用中，需要根據抗彈需求采用合理的結構，例如用柔性材料與高硬度、高抗壓強度的材料復合成多層結構的輕型復合裝甲，如圖3所示。

高強度、低韌性的材料可有效消耗彈丸的沖擊動能，促使彈丸變形甚至破碎。但這類輕質材料易碎、抗拉強度低，作為防護裝甲單獨使用會形成飛濺的碎片，可通過與柔性材料組合，形成多層復合結構。通過上述試驗結果可知，在抗彈的進程中，柔性材料與異性材料復合靶板中的柔性材料可以阻止高硬度材料的崩落，約束其碎裂飛濺方向，使碎片僅沿軸向在小范圍內逆彈丸方向飛濺，再次形成對侵徹彈丸的阻力，消耗更多的彈丸動能，又可以通過纖維絲束塑性變形和斷裂來吸收彈丸的沖擊能量，總體上大幅度降低了復合裝甲的面密度，提高了多層結構的抗彈性能。因此，綜合性能優異、可塑性強的柔性材料在裝甲防護中日益得到廣泛的應用。近幾年來，隨著對柔性材料特殊力學性能和抗沖擊吸能效果的認識逐漸加深，學者們對纖維復合材料的抗彈機理展開了許多研究，例如：梁子青的《超高分子量聚乙烯纖維防彈復合材料的研究》確定了影響纖維復合材料抗彈性能的是纖維的剪切和拉伸變形，等。由于纖維束編織的纖維織物的面密度只有1.1×103kg/m3，在裝甲防護材料向著輕量化、多功能、智能化方向發展趨勢下，因考慮實際需求，在很多種類型的柔性材料中選擇參數適合的材料。

4 結論

雖然柔性材料類型繁多，材料性能偏重不同，根據輕型復合結構的抗彈性能的經驗值和上述的抗彈試驗都發現了：1）在高速沖擊下，復合層通過脫黏、分層、拉伸、斷裂、開裂的方式吸收彈丸的沖擊動能。2）其柔性材料復合的厚度小于兩倍彈徑時，隨著厚度增加抗彈性能增加，且呈線性變化。3）柔性材料復合達到一定厚度，再增加厚度，抗彈性能卻在下降（不同類型的材料厚度的上限不同）。4）柔性材料與異性材料復合，能降低復合裝甲的面密度、吸收彈丸的沖擊能量并且對其他材料起到約束和支撐的作用。具有優異的綜合性能、可塑性強。

由于柔性材料優異的綜合性能和可塑性，且具有上述抗彈特征，在裝甲防護材料向著輕量化、多功能和智能化方向發展的趨勢下，密度小的高性能柔性材料以其較強的拉伸強度和彈性模量、優異的耐疲勞和抗沖擊性能成為極具發展潛力的新型裝甲復合材料。