三維正交機織復合材料與玄武巖纖維層壓復合材料的防彈性能分析研究

劉元坤，李年華，陳虹，艾青松，姜聯東

(1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.北京航天航天雷特機電工程有限公司，北京 100074)

0 引言

個體防護裝備是為執行特殊任務的軍警人員提供生命防護的具有特定功能的組合裝備[1-4]。在國際形勢風云變幻的時代背景下，個體防護裝備的發展日新月異，目前防彈類的個體防護產品主要有防彈衣、防彈頭盔、防彈插板、防彈盾牌以及防彈裝甲等[5-6]。為了更好地發展個體防護裝備以適應任務執行人員的實際需求，高防護性能必不可少，新材料的開發和防護結構的設計是防彈裝備未來發展的重要方向[7-9]。

1 試驗部分

1.1 主要原材料和設備

根據試驗原料進行防彈靶板的制備，所用原料信息見表1。

表1 實驗原料信息

主要試驗設備：劍桿織機，由上海東華大學紡織學院自行改造的劍桿織機；真空設備以及附件，包括真空泵、真空鍋、真空膜和導流管等。

1.2 防彈復合材料的制備

以不飽和樹脂(乙烯基樹脂)為基體，通過真空輔助樹脂傳遞模壓法進行復合材料的制備。具體制備過程為：

(1)纖維織物織造，并將纖維織物填充在密封的模腔中。

(2)利用真空壓力使液態樹脂注入模腔浸潤纖維，并用真空膜封住上表面。

(3)固化成型得到最后產品。

真空輔助樹脂傳遞模壓法復合材料成型工藝如圖1所示。將成型后的三維正交機織復合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm，厚度為1.5 cm；玄武巖纖維層壓復合材料尺寸裁切為30 cm×20 cm，厚度為0.5 cm。

圖1 真空輔助樹脂傳遞模壓法復合材料成型工藝圖

1.3 彈道實驗測試

彈道實驗是在中國兵器工業集團第五三研究所彈道實驗室完成，靶前測速點距靶板距離3.4 m，彈體垂直于靶體平面貫穿復合材料靶板。彈體是56式7.62 mm鋼芯穿甲燃燒彈，質量是7.69 g，直徑是7.62 mm，子彈的速度通過裝藥量加以控制和改變。

2 實驗結果與分析

2.1 彈道測試結果

對制備所得三維正交機織復合材料和玄武巖纖維層壓復合材料防彈靶體分別進行5次鋼芯彈的實彈沖擊試驗。彈體的速度為300～800 m/s，彈速通過調整彈藥量進行控制。

測試發現子彈穿出復合材料靶體后基本沒有變形，忽略子彈的變形和散失的熱量，認為子彈動能的損失就是復合材料靶體所吸收的能量。子彈的動能損失計算公式如下：

(1)

其中，mp為子彈的質量(kg)，Vs為子彈的入射速度，Vr為子彈穿靶后的剩余速度。

根據打靶測試得到三維正交復合材料與玄武巖纖維層壓復合材料防彈靶板的入射速度—剩余速度曲線如圖2所示。

圖2 入射速度—剩余速度曲線

根據靶板入射速度—剩余速度曲線關系得到彈道測試的靶前速度和靶后速度，并通過式(1)計算得到彈體穿透靶板過程中的動能損失，進而得到三維正交復合材料與玄武巖纖維層壓復合材料的彈道測試結果。

三維正交復合材料的彈道測試結果見表2。

表2 三維正交復合材料的彈道測試結果

玄武巖纖維層壓復合材料的彈道測試結果見表3。

表3 玄武巖纖維層壓復合材料的彈道測試結果

2.2 彈道防護性能衡量指標

2.2.1 總能量吸收(Ea)

根據能量守恒，靶板的總能量吸收值即彈體在穿透靶板過程中的能量損失值，即Ea=Ek。

(2)

2.2.2 比吸能值

比吸能值即靶板單位面密度上的能量吸收值，是評估材料防彈性能的一個重要指標。它是靶板吸收能量與靶板面密度之比，其數值的大小代表著材料防彈性能的好壞[10]。比吸能計算公式如下：

BPI=Ea/AD

(3)

式中：AD——靶板的面密度。

2.2.3 靶板單位厚度的能量吸收Eh

假設彈體吸收的能量都是被靶板吸收，靶板吸收的能量全部被厚度方向上的材料吸收所得出的相應的理論計算值。計算公式如下：

Eh=Ea/h

(4)

式中：h——靶板的厚度。

2.2.4 彈道性能指標測試結果

根據彈道測試結果，并通過各項彈道防護性能衡量指標計算公式進一步計算得到三維正交復合材料與玄武巖纖維層壓復合材料的彈道性能指標測試結果。

三維正交復合材料的彈道性能指標測試結果見表4。

表4 三維正交復合材料的彈道性能指標測試結果

玄武巖纖維層壓復合材料的彈道性能指標測試結果見表5。

表5 玄武巖纖維層壓復合材料的彈道性能指標測試結果

2.3 結果分析與討論

2.3.1 纖維復合材料防彈機理

傳統的彈道理論認為[11-14]，織物對彈體的抗沖擊性是因為織物吸收了彈體沖擊的動能。彈體沖擊靶板后將產生應力波，應力波沿著纖維的軸向傳播，能量吸收速率是波速的函數，而波速根據單紗法向彈道沖擊理論，子彈法向沖擊紗線時，縱波波速：

(7)

其中E為高應變率下的彈性模量，ρ為紗線體積密度。

由此得出，要產生較高的波動速率，需要纖維有較高的模量。但并不是纖維的模量越高就越好，模量的不斷提高會逐漸增強纖維的脆性，最終降低對應變能量的吸收。玄武巖纖維的模量遠高于芳綸和玻璃纖維，在彈體沖擊的過程中不能及時進行能量的傳遞、吸收和釋放，使得玄武巖纖維層壓復合材料靶板的各項彈道性能指標均低于三維正交機織復合材料[15-18]。因此，防彈材料除了具有一定的模量之外，還要有較好的延伸率、斷裂韌性、高比強度，并且能在高應變率下保持好的性能。

防彈材料由傳統金屬材料不斷向纖維發展的重要原因不僅在于輕量化，還因纖維材料對于能量的吸收和緩沖效果也十分優異。纖維受到沖擊時，若纖維的縱軸向垂直于彈體的入射方向，則纖維受沖擊載荷的瞬間產生的壓力波沿纖維縱軸向傳播，達到纖維的末端后又變為拉伸波反射回來。此時，拉伸波沿著軸向向彈著點移動，從而帶動同一方向上物質流動，纖維所受的拉應變的大小是跟沖擊速度相關的，并且連續來回反射的應力波擴大了拉應變，拉應變增大就增加纖維對能量的吸收值。此外，纖維受沖擊時，應力波還會產生一個沿著軸向垂直方向的傳播，其運動方向和彈體的前進方向一致，沿著纖維的橫向傳播，橫向波產生的應變超過纖維的屈服點就會使纖維產生斷裂破壞。纖維斷裂后發生原纖化，原纖化作用進一步消耗彈體的能量。如果彈體仍具有多余的動能，則進一步發生侵徹直至彈體動能完全被消耗掉。若靶板較薄，則它被彈體穿透。

2.3.2 不同紡織結構形式對防彈性能的影響

根據表2和表3的彈道測試結果，發現三維正交機織復合材料的能量吸收值遠遠大于玄武巖纖維層壓復合材料，二者不同的織物空間結構是其中重要的影響因素[19-21]。

三維正交機織物經向和緯向紗束在平面內垂直交織或排列，以提供復合材料的面內性能，而貫穿于結構厚度方向上的Z向接結紗束則提供材料的結構穩定性。由于厚度方向上增強纖維的存在，將增加復合材料層間剪切強度，減少分層現象，提高織物的抗沖擊性能以及彎曲疲勞性能。三維正交機織物的理想結構示意圖如圖3所示。經紗、緯紗和Z向紗三個系統上的紗線均相互兩兩垂直，各個紗線之間沒有任何的纏結和卷曲，經向和緯向紗線在平面內成垂直排列，而層壓復合材料由于織物組織使得經緯向纖維相互交織，限制了纖維束的側向移動能力[22,23]。因此，在高速沖擊下，層壓復合材料的防彈性不如三維正交立體結構，主要在于層壓復合材料不能夠提供更大的抗彎剛度，在厚度方向上也沒有維持面與面之間的聯結力，導致厚度方向上的彎曲變形撓度大，更容易產生變形破壞。盡管層壓到一定程度后，復合材料有一定的厚度，但是這個厚度和三維立體結構的厚度不同，因為三維立體在厚度上一個整體，而層壓復合材料是層壓形成的，在受到高速沖擊的彈體時，束縛的結構不利于應力波的來回傳播，從而降低了它的防彈性能。

圖3 三維正交機織物結構示意圖

2.3.3 樹脂基體對防彈性能的影響

復合材料的防彈機理以及吸能機制與傳統防彈材料的存在著很大區別，主要在于復合材料中引入了基體，而基體必須能與纖維一同伸長、斷裂，才能使復合材料最大限度地吸收彈體的沖擊能量。因此，基體必須具有較高的斷裂延伸率，還必須具有一定的阻燃性能。因為吸收能量的過程，也是材料溫度升高的過程，所以基體材料的選擇、優化設計以及制備工藝技術等對復合材料的防彈性能影響很大。

對于抗高速沖擊的防彈復合材料，樹脂基體的選擇以及配比工藝顯得尤為重要。樹脂基體不同，能量吸收能力是不一樣的，并且差別很大。樹脂基體在復合材料中所起的作用，主要有三個[24-28]：

(1)粘結原料：將纖維粘結在一起，使復合材料作為一個整體承受外部載荷。

(2)反射應力波：將能量由上表面傳遞至下表面、從最前端傳遞到最末端，起到反射應力波的作用。

(3)能量吸收：基體在高速沖擊下產生裂紋，并且沿著平面擴展，從而吸收部分的能量。

另外，在其他因素一定的情況下，隨著復合材料樹脂基體厚度的增加，材料的沖擊防護能力也隨著增強，沖擊阻抗也就隨之提高。

3 結語

本研究制備得到三維正交機織復合材料和玄武巖纖維層壓復合材料，纖維復合防彈材料能夠很好傳遞和釋放彈體沖擊動能。其中，三維正交機織復合材料的能量吸收值遠遠大于玄武巖纖維層壓復合材料，其貫穿于結構厚度方向上的Z向紗束為防彈復合材料提供了整體穩定性，增加了層間剪切強度，減少了分層現象，同時具備更大的抗彎剛度，因此防彈性能更加優異。