輕量化防彈材料的研究現狀及發展趨勢

丁思源，劉貴民，馬金盾，劉振,2，李林虎，惠陽

（1.陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2.中國人民解放軍96721部隊，四川 宜賓 644000）

現代戰爭對防彈材料的防護性能和輕量化水平提出了極高的要求，傳統的金屬防彈材料雖具備防護性能好、價格低廉等優勢，但普遍存在質量較重，不便于穿戴，嚴重影響人員和裝備的機動性等問題。為了適應現代戰爭破壞性高、作戰節奏快、戰場環境惡劣等特點，防彈材料正朝著輕量化、非金屬化、復合化的趨勢發展，世界各國相繼研發了陶瓷、高性能纖維、新型復合材料等一系列輕量化防彈材料，進一步提升了人員和裝備的生存能力和機動性。本文聚焦輕量化防彈材料的研究現狀和發展趨勢，從材料特性、抗彈機理和存在的問題3個方面，全面綜述了輕量化防彈材料的研究現狀，并對其發展趨勢進行展望。

1 陶瓷材料

1.1 材料特性

Al2O3、B4C、SiC等陶瓷材料因具備高硬度、耐高溫、耐磨損、低密度等特點，在裝甲車輛、直升機、防彈衣等裝備上得到廣泛運用，其主要的性能參數見表1。

表1 常見陶瓷防彈材料的性能參數

相比金屬防彈材料，陶瓷防彈材料具備更加優異的性能，吳克剛等利用長桿彈對Al2O3陶瓷和裝甲鋼靶板進行侵徹試驗，結合數值模擬，得出Al2O3陶瓷板的單位能量平均侵徹深度比對裝甲鋼板要少近14%；陳巍等對四種不同Al2O3基陶瓷抗105模擬桿式穿甲彈侵徹試驗進行分析，得出Al2O3陶瓷靶板大約可消耗穿甲彈60%的能量；崔鳳單等使用87式5.8mm鋼芯彈分別對SiC和B4C靶板進行抗彈性能試驗，發現B4C與SiC靶板受彈擊后雖然凹陷深度相當（如圖1所示），但B4C較SiC背凸體積降低超過35%，陶瓷錐底面平均直徑增加30%以上，能夠吸收更多彈丸沖擊的動能。

1.2 抗彈機理

在子彈侵徹過程中，陶瓷材料通過侵徹、鈍化、破碎彈體以及自身的破碎來吸收子彈動能（如圖2所示），同時，陶瓷碎裂后易形成陶瓷錐，可有效吸收子彈動能和傳遞沖擊載荷。其作用過程大致如下：

（1）初始接觸階段。在子彈開始接觸陶瓷靶板時，子彈發生變形，一部分動能被吸收，并在陶瓷靶板上產生沿四周和靶板法向傳播的應力波，在應力波的作用下，子彈和陶瓷內部的壓應力迅速增長。

（2）裂紋萌生階段。受應力波的影響，子彈由于達到其屈服極限而發生鈍化、變形直至破碎，同時，陶瓷靶板的裂紋開始萌生。

（3）裂紋擴展階段。子彈進一步侵徹陶瓷靶板時，裂紋逐步擴展并產生陶瓷碎片，子彈受到陶瓷碎片的侵蝕，質量減小，動能大幅度衰減。

（4）“陶瓷錐”形成階段。子彈和陶瓷發生磨蝕作用，陶瓷碎片逐漸增多形成“陶瓷錐”，破碎的子彈與“陶瓷錐”一起作用在背板上，通過背板的拉伸變形、層裂和應力波傳播等方式消釋剩余的子彈動能。

可見，影響陶瓷材料抗彈性能的主要因素是硬度和壓縮強度。江怡等利用有限元數值模擬法對陶瓷的破碎形態、子彈受侵蝕形態以及各項抗侵徹性能指標進行對比分析，發現陶瓷材料的硬度越大，抗彈效果越好。Rosenberg將平面應力Griffith脆性行為屈服準則擴展得出陶瓷材料的動態壓縮強度dY與σHEL的關系，其公式如下：

式中，ν為泊松比；σHEL為陶瓷材料在一維應變壓縮下的軸向應力初始屈服極限。

1.3 存在的問題

陶瓷材料雖具有良好的抗彈性能和輕質等特性，但仍存在許多缺點，如Al2O3的硬度較低，導致抗彈性能較弱，未吸收的能量會造成人體損傷，無法達到理想的防彈效果；B4C是已知最堅硬的3種材料之一（僅次于金剛石和立方氮化硼），同時在陶瓷材料中密度最低，是用于防彈領域的理想材料，但價格高昂，生產成本較高；SiC雖具備與B4C相當的抗彈能力，且價格相對較低，但陶瓷材料普遍存在韌性差、加工困難等問題，極其微小的表面劃痕或者內部缺陷都可能造成突發性破壞，嚴重影響其抗彈性能，因此，陶瓷材料一般不單獨作為防彈材料，而是作為防彈面板與具有足夠支撐強度的防彈背板共同組成防彈復合結構。

2 高性能纖維

2.1 材料特性

隨著尼龍、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、凱夫拉（kevlar）纖維、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維和聚對亞苯基苯并雙噁唑（PBO）纖維等一系列高性能纖維的出現，使防彈材料的綜合防護性能上了一個新的臺階，也標志著防彈材料由“硬質”材料向“軟質”材料轉變。高性能纖維普遍具有高比強度、高比模量、低密度等特性，其基本性能如表2所示。

表2 常見高性能纖維的性能參數

1945年，美國研制了尼龍纖維，并將其用作防彈背心和頭盔的主要材料，但由于其強度較低，目前已逐步被新型纖維材料所取代。碳纖維的韌性相對較差，抗沖擊性不強，無法單獨應用在防彈材料中。1972年，美國杜邦公司開發了凱夫拉纖維，其具備超強的熱穩定性、超高的韌性和超強的耐沖擊性和較高的拉伸性，吸收子彈動能的能力是尼龍的1.6倍，鋼的2倍，成為目前應用最廣泛的高性能纖維防彈材料。自超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維和聚對亞苯基苯并雙噁唑（PBO）纖維問世以來，就被認為是目前防彈性能最好的纖維，J.W.S.Hearle等研究發現在同等面密度條件下，UHMWPE纖維比kevlar纖維的防彈能力高25%，但其生產成本也相對較高。

2.2 抗彈機理

高性能纖維屬于吸收能量型防彈材料，與子彈的作用過程大致如下（如圖3所示）。

（1）高速壓縮階段。高速飛行的子彈與靶板剛接觸時，由于受到沖擊波的影響，靶板瞬間被壓縮至最小厚度。

（2）剪切破壞階段。子彈剛作用在靶板上，由于初速度較高，侵徹作用明顯，對纖維產生雙邊剪切破壞，這一階段子彈開始變形，同時伴有后層纖維的拉伸變形。

（3）拉伸破壞階段。隨著子彈速度的降低，應力波對纖維的影響逐步增強，子彈的動能轉化為纖維的彈性勢能，當彈性勢能大于纖維的斷裂功時，纖維發生斷裂，這一階段子彈將進一步變形直至破碎。

（4）形成“背凸”階段。子彈進入靶板后，纖維的拉伸變形受到靶板后部纖維的限制，參與阻止子彈侵徹的纖維數量逐步增多，靶板后部開始形成“背凸”，子彈的動能進一步被消耗。

（5）靶板回彈階段。在子彈的侵徹停止后，靶板“背凸”階段纖維因承受拉伸變形而儲存的彈性勢能，在子彈的侵徹停止后會被釋放出來，宏觀表現為靶板的回彈。

影響纖維等“軟質”防彈材料防彈性能的因素主要是纖維自身的性能，L.P.Ma等研究了纖維自身的性能對其防彈能力的影響，總結出簡單的表達式：

式中，R為防彈性能指標；C為纖維中的聲速；W為纖維的斷裂功；E為纖維的模量；ρ為纖維的密度。

陳利民通過對Kevlar-29、尼龍等66種纖維織物的研究（如表3所示），發現應力波在纖維中傳播速度主要取決于纖維的楊氏模量及其在復合材料中的狀態，纖維的模量越高，密度越低，應力波傳播的越快。趙玉梅等利用UHMWPE纖維進行抗彈試驗，發現纖維材料受到子彈或破片沖擊時產生形變、斷裂所需的能量與參與形變、斷裂的纖維數量有關。

表3 幾種典型防彈纖維中的聲速

同時，纖維的編織方式對其抗彈性能也存在一定影響。Roylance等研究發現除了纖維自身的性能之外，織物的結構對材料的抗彈性能同樣有著很大的影響。Mehmet Karahan等人研究了纖維類型、編織方式、織物層位等對芳綸和UHMWPE纖維復合材料層壓板破片沖擊性能的影響，發現多向織物的抗沖擊性能優于單項織物。彭剛等設計了芳綸與UHMWPE纖維單向編織結構和2D平紋編織結構的復合靶板，發現2D平紋編織結構材料的抗彈性能更加優越。

2.3 存在問題

當子彈作用在纖維等“軟質”防彈材料上時，靶板各部位所受影響不同，因此，對其性能的要求也不相同。接近子彈前部的纖維要求具有較高的壓縮強度來阻礙子彈的剪切破壞，而后部的纖維則要求拉伸強度更高，傳播應力波更快，但目前單一的纖維織物很難滿足上述要求。同時，用高性能纖維制成的防彈制品雖質量輕、柔韌性好、可設計性強、成型工藝簡單，但只靠高性能纖維材料制備的軟質防彈衣，即使堆疊上很多層防彈纖維，多到足以不被子彈擊穿時，也會由于布料的內凹變形使部分沖擊由人體吸收，從而對人體構成二次傷害。

3 新型復合材料

3.1 材料特性

目前，現代合成材料工業高速發展，組合防彈材料、梯度功能材料等新型復合材料不斷問世，不僅克服了單一均質防彈材料的缺點，而且多組材料之間產生的協同效應使其綜合抗彈性能大幅度提高。

組合防彈材料是通過環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等膠黏劑將金屬、陶瓷、高性能纖維等一種或多種材料進行層間熱壓固化（如圖4所示），其不僅繼承了單一均質防彈材料的優點，同時，具有良好的結構可設計性，制備工藝簡單。

梯度功能材料是通過特殊的制備工藝使材料的成分或者結構連續性的變化，同時，物性參數也由迎彈面向背板連續變化的新型復合材料（如圖5所示）。梯度功能材料主要包括陶瓷/陶瓷和陶瓷/金屬 2種結構，其具有優異的抗彈性能和抗多發打擊的能力。

3.2 抗彈機理

組合防彈材料與子彈的作用過程大致可視為子彈分別侵徹金屬、陶瓷等“硬質”防彈材料和高性能纖維等“軟質”防彈材料的組合，同時，環氧樹脂等膠黏劑對子彈的動能也有一定的消耗作用。

劉國繁等選用Al2O3陶瓷、TC4鈦合金和UHMWPE纖維復合材料制備了組合防彈裝甲，通過抗12.7mm穿甲彈實驗和數值仿真研究了組合防彈材料的抗彈吸能機制，發現陶瓷、TC4鈦合金等“硬質”防彈材料吸收子彈動能的能力較強。李永鵬等研究了不同SiC陶瓷板、UHMWPE 纖維板的厚度對組合材料抗彈性能的影響規律，得出組合防彈材料的抗彈性能與SiC陶瓷板和UHMWPE纖維板的厚度比呈先增強后減小的關系，當厚度比在0.2～0.4時抗彈性能最佳。可見組合防彈材料的組成成分與配比、結構和成型工藝對其抗彈性能都有著較大的影響。

梯度功能材料與子彈的作用過程可視為子彈侵徹梯度功能材料的迎彈面、過渡層和背板。梯度功能材料迎彈面的陶瓷含量高達80%以上，具有較高的強度和硬度，與子彈作用時，能夠迅速使彈體破碎；過渡層的陶瓷含量沿梯度方向呈階梯式降低，硬度和強度也逐漸降低，但塑性逐步提高，能夠進一步消耗彈片的動能；背板為低陶瓷含量的金屬基復合材料或純金屬，具有很好的塑性，與彈片作用產生形變而儲存彈性勢能，子彈的侵徹停止后釋放能量，出現“回彈”現象。Strassburger E等研究發現，梯度功能材料陶瓷含量達到80%以上時，其抗侵徹性能與純陶瓷相當。übeyli M等制備了梯度40-20-0%的B4C/Al和SiC/Al梯度功能材料，并進行了抗7.62mm穿甲彈實驗，發現梯度功能材料的抗彈性能與陶瓷含量成正比。

3.3 存在問題

組合防彈材料雖具備結構功能可設計的特點，但制備組合防彈材料所使用的環氧樹脂等膠黏劑存在韌性差、結合強度低等缺點，會導致組合防彈材料不能迅速將應力波及時傳遞出去，從而降低了防彈效果；同時，關于組合防彈材料抗彈機理的研究不夠深入，對多組材料間所產生的協同抗彈作用分析不夠透徹。

梯度功能防彈材料雖具備抗多發打擊能力等優良特性，但制備高性能的梯度功能材料十分困難，目前，所使用的梯度功能材料面板陶瓷含量普遍小于50%，抗彈性能較差；同時，對梯度功能材料抗彈機理的研究大多集中在有限元仿真分析方面，缺乏實際抗彈實驗，材料的抗彈機制尚不明確。

4 發展趨勢

現代防彈材料已經向著質輕、舒適、多功能、高性能、低成本等方向發展，極大地提高了人員和裝備的生存能力和機動性。隨著防彈材料輕量化、多功能化的發展需要，新型復合材料的優勢越加凸顯，具有傳統材料無法比擬的優勢，但存在的問題也不容忽視。將陶瓷與高性能纖維配合使用，優勢互補，是實現防彈材料兼具防護性和輕量化的有效途徑，也是未來輕量化防彈材料主要的研究方向。

下一步應注重解決以下幾個方面的問題。

（1）加強新型復合防彈材料抗彈機理的研究。雖然國內外學者對陶瓷等“硬質”和高性能纖維等“軟質”防彈材料抗彈機理的研究已較為成熟，但在新型復合防彈材料抗彈機理的研究上成果較少，其與子彈的作用過程不僅僅是“硬質”和“軟質”防彈材料與子彈作用過程的疊加，還涉及多組材料之間的協同效應，應結合抗彈實驗和有限元仿真，分析影響其抗彈性能主要的影響因素。

（2）改進制備技術，降低生產成本，提高生產效率。現代戰爭對防彈材料的各項性能指標提出了極高的要求，目前制備高性能防彈材料仍存在難度大、成本高、效率低等問題。

（3）研制高性能新型防彈膠黏劑。目前多數防彈裝備都采用多層組合結構來提高防彈性能，但層間結合所使用的膠黏劑仍為環氧樹脂等，存在韌性差、結合強度低等問題。

5 結語

隨著戰爭模式的快速演變，研發兼具防護性和輕量化的高性能防彈材料日趨迫切。防彈材料的研發和生產與國家的綜合國力息息相關，伴隨著新一輪科技革命的不斷推進，防彈材料的性能必將得到大幅度提升，未來幾十年內，新型復合防彈材料在防彈領域的應用將會更加廣泛，但今后的研究中仍應兼顧傳統材料的改進和新型防彈材料的研發兩個方向，進一步挖掘傳統防彈材料的潛力，同時研發性能更優良的新型防彈材料，以降低人員和裝備的作戰負重，提升作戰單元的機動性和生存能力。