采用30層玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料制備了防彈層板 ,通過研究發(fā)現(xiàn)這些層壓材料的彈道性能可以通過改變層壓材料的性能或改變 層壓材料的組合方式來改變 。此外 ,材料的分層面積對(duì)彈道性能的量化也很重要。

1.2 芳綸纖維 

在質(zhì)量相同情況下 ,芳綸纖維復(fù)合材料的抗彈能力是鋼的5倍 , 韌性是玻璃纖維復(fù)合材料的3倍,但其缺點(diǎn)是易吸濕 ,不耐紫外光 。目前使用最多的除了美國(guó)杜邦公司的Kevlar (我國(guó)稱為芳綸1414或芳綸Ⅱ) ,還有荷蘭阿克蘇公司的Twaron和俄羅斯的Armos等品牌的芳綸纖維。

對(duì) TwaronG750纖維增強(qiáng)防彈板的防彈性能進(jìn)行了研究，研究表明 :縮丁醛及聚了爆作為樹脂基體時(shí)材料的防彈性能最好，以環(huán)氧及酚醒類為基體的材料防彈性能最差，此外，樹脂含量和固化壓力過高或過低都不利于防彈性能.

1.3UHMWPE纖維 

UHMWPE纖維是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種用于彈道防護(hù)的高性能纖維.該纖維主要采用凝膠紡絲法制備而成，主要品牌有Dxneema.(荷蘭 DSM、日本 Toyobo)和 Spectra(美國(guó) HoneyGwelI)等.UHMWPE纖維單絲強(qiáng)度和比強(qiáng)度是所有纖維之最，相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼絲的15倍、芳綸纖維的1.7倍、碳纖維的2.6倍，比水更輕，并具有良好的抗潮濕、抗紫外線和耐磨性，該纖維氣原子含量高，防中子彈和防 Y 射線性能優(yōu)良] ,所以是非常理想的輕量化防彈材料，但是 UHMWPE纖維耐熱性能較差，對(duì)熱壓成型加工工藝及樹脂要求較高。

研究了 UHMWPE 纖維復(fù)合材料體種類和結(jié)構(gòu)對(duì)防彈性能的影響，研究表明:聚氨酷(PU)與低密度聚乙烯(LDPE)均可作為 UHMWPE纖維防彈復(fù)合材料的基體材料:UHMWPE纖維防彈復(fù)合材料的首選結(jié)構(gòu)是正交鋪層結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)以 LDPE為基體時(shí)基體最佳含量在 26%左右，且模玉工藝對(duì)材料的防彈性能無顯著影響。研究裝甲車鋼/纖維復(fù)合裝甲的防彈性能及其影響因素，研究表明:厚度相同時(shí)，混合纖維復(fù)合靶板和單一材料靶板在防彈性能上存在優(yōu)缺點(diǎn)，主要是由材料組合形式?jīng)Q定;兩者間連接方法會(huì)影響系統(tǒng)防彈性能且防彈鋼/UHMWPE復(fù)合板內(nèi)襯裝甲厚度與其防彈性能不呈線性關(guān)系，并起到了支撐防彈鋼的作用。

1.4 PBO纖維 

PBO纖維是目前所發(fā)現(xiàn)的有機(jī)纖維中性能最好的纖維之一 ,被譽(yù)為 “21世紀(jì)超級(jí)纖維 ”. 因?yàn)槠鋸?qiáng)力、模量均優(yōu)于UHMWPE纖維和芳綸纖維 , 并且耐沖擊性能與耐磨性能相較于芳綸和碳纖維也 十分出色 ,所以被視為新一代裝甲防彈纖維 . 此外 , 高強(qiáng)度、高模量、耐熱性和阻燃性優(yōu)良等特點(diǎn) ,使得該纖維成為未來最具有競(jìng)爭(zhēng)力的抗彈纖維之一. 然而 ,受制備技術(shù)和價(jià)格等因素影響 ,PBO纖維用于車輛防護(hù)只是進(jìn)行些嘗試性的應(yīng)用 ,并沒有大范圍推廣。

02防彈車用復(fù)合材料的樹脂基底

樹脂基體主要作用是給柔性織物提供剛度使其形態(tài)特征固定,以約束紗線橫向變形。相對(duì)于純織物,纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可借助于樹脂基體的開裂來消耗子彈沖擊能量以提高吸能能力。目前,裝甲用復(fù)合材料的樹脂基體材料主要分為熱固性與熱塑性兩大類。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的基體樹脂含量一般占總質(zhì)量的30%左右時(shí)復(fù)合材料性能最佳，含量過高或過低均會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能及抗沖擊性能產(chǎn)生不良影響。在對(duì)復(fù)合材料成型工藝的研究中發(fā)現(xiàn)樹脂含量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)左右時(shí)，其防彈性能最優(yōu)，對(duì)三維淺交彎聯(lián)Kevlar/EP裝甲材料的彎曲性能進(jìn)行了研究，研究表明當(dāng)EP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 42%~49%時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度隨著含膠量的增加呈現(xiàn)“先增加后下降”的趨勢(shì)，周潔鵬等依據(jù)芳綸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相似相容原理，制備出一種新型熱固性樹脂(AFRGTE)用作芳綸復(fù)合材料的基體。測(cè)試結(jié)果表明:AFRGTE樹脂澆鑄體的熱變形溫度(1235)相較于環(huán)氣樹脂 EG51提升了 25%，且韌性得到顯著的增強(qiáng)。

2.2 熱塑性樹脂 

熱塑性樹脂具有良好的韌性以及耐化學(xué)腐蝕性，但其拉伸強(qiáng)度較低，拉伸形變率較大，容易造成防彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定目前防彈車用復(fù)合材料使用的熱塑性樹脂主要有水性聚氨醋(WPU)、內(nèi)烯酸醋、聚烯烴樹脂、聚酷胺(PA)等。

03防彈車用復(fù)合材料的成型工藝

當(dāng)前復(fù)合材料防彈板常用的制備工藝主要有模壓成型、真空輔助成型和樹脂傳遞模塑三大類。

3.1 模壓成型工藝 

模壓成型工藝生產(chǎn)效率高，可用于成型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品，并且制備的產(chǎn)品不需要二次處理表面就很光滑，此外，模壓成型工藝具有成型壓力大和需要維持一定時(shí)間的特點(diǎn)，這就使復(fù)合材料構(gòu)件成型時(shí)可能產(chǎn)生很大的應(yīng)力從而引起纖維屈曲影響制品的性能甚至發(fā)生纖維劈裂和層間開裂這 2種典型的失效形式。

發(fā)現(xiàn)在固化溫度和時(shí)間恒定的條件下,層合板的力學(xué)性能在不同成型壓力下表現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，當(dāng)成型壓力為 0.8MPa時(shí)，綜合力學(xué)性能最優(yōu)此外，適當(dāng)增加成型壓力有利于纖維密集,排出多余樹脂，減少孔隙和缺陷，從而提高力學(xué)性能;而過大的成型壓力則會(huì)產(chǎn)生反作用。

在對(duì)真空輔助成型工藝研究的過程中發(fā)現(xiàn):高滲透率的導(dǎo)流個(gè)質(zhì)能有效提高樹脂的流動(dòng)速度，從而提高充模速度，此外，在成型過程中采用新型導(dǎo)流介質(zhì)以及脫模介質(zhì)能分別控制樹脂的流動(dòng)狀態(tài)和縮短充模時(shí)間。采用真空袋外加真空置的方法，使真空袋內(nèi)外均保持真空狀態(tài)，有效減少了試樣缺陷空隙，大幅度提高了試樣的力學(xué)性能。

3.3樹脂傳遞模塑成型工藝 

樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝也可用于制備裝甲用復(fù)合材料，得到的制品具有較好的表面光澤和合適的厚度。因?yàn)?RTM 工藝制備的裝甲材料質(zhì)量較模壓板好且不受制品型面的限制，能耗低、環(huán)境污染小，因此得到廣泛應(yīng)用。

研究表明，將注膠孔置于模具中心位置時(shí)，樹脂充模的時(shí)間比注膠孔位于四周的情況下延長(zhǎng)65%，推測(cè)原因是注膠孔位于中心位置導(dǎo)致樹脂的流動(dòng)速度變緩，不利于浸潤(rùn)。在模具各分模面處設(shè)計(jì)出密封槽(雙道)，并選用0型硅橡膠棒進(jìn)行密封確保好的密封性鄧等強(qiáng)調(diào)RTM工藝要求基體樹脂具有較低的黏度，一股應(yīng)在0.5Pa.s以下，最高不宜超過1.0Pa.s.因?yàn)榈宛ざ然�體材料不僅有利于增強(qiáng)材料的充分濕潤(rùn)，而且還可以排除織物層間和纖維束內(nèi)的氣泡以及降低注膠壓力。

此外，通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn):采用多種纖維混雜的方式來制備裝甲用復(fù)合材料，在降低成本的前提下又能充分發(fā)揮各種纖維的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)不足，從而提高材料整體性能，研究了 PA/UHMWPE纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)和混雜比例對(duì)比吸收能(SEA) 值和背部凸起(BFS)值的影響。研究表明，PA纖維可以在不影響S值的情況下有效限制 BFS值，其中兩級(jí)鋪層結(jié)構(gòu)和夾芯鋪層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出混雜正效應(yīng)，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的防彈性能。采用拉G擠成型法制備單向連續(xù)碳纖維玻璃纖維層內(nèi)混雜復(fù)合材料，研究表明，不同層內(nèi)混雜復(fù)合材料受混雜結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)出不同的拉伸強(qiáng)度，但拉伸模量幾乎不受其影響。

04防彈車用復(fù)合材料的力學(xué)性能

對(duì)Keylar纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:纖維的加入可以促進(jìn)材料力學(xué)性能的提升，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)在10%~20%時(shí)，增強(qiáng)效果明顯且纖維承擔(dān)拉伸過程中的主要載荷，復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度顯著提高;但纖維體積分?jǐn)?shù)低于 10%時(shí)，增強(qiáng)效果不明顯。

測(cè)試了芳綸復(fù)合材料的拉伸性能結(jié)果表明:當(dāng)材料含膠量為2%(wt,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下司)時(shí)，經(jīng)向斷裂強(qiáng)度最高;材料含膠量為38%時(shí)緯向斷裂強(qiáng)度最高，此外，當(dāng)鋪層方式均為 0”時(shí)緯向斷裂強(qiáng)度最高;鋪層方式均為 0”/90時(shí)，材料斷裂強(qiáng)度最低。

4.2 彎曲性能 

材料的彎曲強(qiáng)度與壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力密切相關(guān)。當(dāng)韌性強(qiáng)的材料發(fā)生較大的形變時(shí)仍未斷裂，不能測(cè)定其彎曲斷裂強(qiáng)度時(shí)，可以把試樣外層纖維最大應(yīng)變達(dá)到 5%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為其彎曲強(qiáng)度。目前，復(fù)合材料的彎曲性能研究主要包括三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及模擬。

研究表明:三維深角聯(lián) Keylar/EP復(fù)合材料的彎曲性能表現(xiàn)出各向異性，其中緯向的彎曲性能優(yōu)于經(jīng)向;當(dāng)材料沿經(jīng)向進(jìn)行彎曲加載時(shí)，經(jīng)紗起到承載的主要作用。此外，材料與上壓頭接觸的經(jīng)紗承載力優(yōu)于下壓頭接觸的經(jīng)紗，失效主要原因是與上壓頭直接接觸的經(jīng)紗斷裂。

研究表明，當(dāng)碳纖維與環(huán)氣樹脂基復(fù)合材料出現(xiàn)弱層間結(jié)合力和脆性斷裂缺陷時(shí)，復(fù)合材料整體彎曲性能相對(duì)較差;當(dāng)工藝參數(shù)合理，有效消除復(fù)合材料缺陷時(shí)，復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度可大幅度提升。

采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)不同纖維復(fù)合材料層間界面粘合性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明芳綸纖維復(fù)合材料最大層間剪切強(qiáng)度優(yōu)于其他材料 ;玻璃纖維復(fù)合材料縱橫剪切強(qiáng)度最大，而碳纖維復(fù)合材料的面內(nèi)剪切模量最大。

05防彈車用復(fù)合材料防彈性能的影響因素

采用EP對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行改性 ,使樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度顯著提高。研究表明 :EP含量保持在 6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí) ,防彈復(fù)合板的防彈性能最優(yōu) , 且安全裕度更高 。而當(dāng)EP含量繼續(xù)增加時(shí) ,纖維發(fā)生“塑化 ”,致使產(chǎn)品發(fā)生脆性斷裂 ,從而使復(fù)合板的防彈性能降低。此外 ,當(dāng)增塑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí) ,防彈復(fù)合板的防彈性能最優(yōu)。

在對(duì)芳綸層合板的彈擊實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) : 在合適的樹脂含量范圍內(nèi) ,芳綸防彈層壓復(fù)合材料的彈道極限主要取決于靶板所含的織物層數(shù) ; 當(dāng)芳綸層壓板織物層數(shù)相同時(shí) ,其彈道極限基本相同 ,與樹脂含量關(guān)系不大。方心靈等通過研究發(fā)現(xiàn) :樹脂含量控制在15%~25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 時(shí) ,層合板的防彈性能以及力學(xué)性能最佳。

通過研究發(fā)現(xiàn) :復(fù)合材料的抗彈性能與樹脂含量密切相關(guān) ;在樹脂含量基本相同的情況下 , 抗彈性能與靶板成型壓力有很大關(guān)系 ,但保溫時(shí)間、后處理溫度對(duì)制品的防彈性能影響不大 。

5.2 復(fù)合材料界面 

界面作為增強(qiáng)體纖維和其體的過渡區(qū)，在化學(xué)成分變化時(shí)能傳遞應(yīng)力,這對(duì)于纖維復(fù)合材料的最終防彈性能有較大影響。界面粘接強(qiáng)度太高時(shí)，纖維松容易發(fā)生滑移而降低防彈性能,所以合適的界面粘接強(qiáng)度將有助于沖擊性的改善和載荷的高效傳遞進(jìn)而改善纖維復(fù)合材料的吸能特性。

研究表明:碳纖維復(fù)合材料的界面性能可以采用電化學(xué)氧化、等離子刻蝕和 y 射線輻照3種調(diào)控方式進(jìn)行增強(qiáng)，電化學(xué)處理和等離子刻蝕后的碳纖維復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度明顯 提高，而γ射線輻照方法更有助于提升碳纖維的拉伸強(qiáng)度。

06防彈車的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

為了規(guī)范防彈車的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)、歐盟、德國(guó)、俄羅斯、中國(guó)都有自己的通用標(biāo)準(zhǔn)，并且一般還會(huì)制訂一系列軍用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，所有防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)建立的前提都是以標(biāo)準(zhǔn)所屬國(guó)最通用的武器、彈藥為依據(jù),設(shè)定強(qiáng)弱等級(jí)，以規(guī)范各類防護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)。

目前，應(yīng)用最廣泛的EN 1063 或 CEN 1063 是歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)創(chuàng)建的安全玻璃標(biāo)準(zhǔn)，用于測(cè)量防彈玻璃的防護(hù)強(qiáng)度。EN 1063 或 CEN 1063 通常與EN 1522/1523結(jié)合使用，以形成彈道分類系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對(duì)裝甲車輛和結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)級(jí)。

除此之外，國(guó)際上常用的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)還有德國(guó)VPAM BRV 2009、美國(guó)司法研究所制訂的 NIJ0108.01等。VPAM標(biāo)準(zhǔn)制訂了對(duì)防彈整車的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法，NIJ標(biāo)準(zhǔn)則是針對(duì)防彈材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法。但總體而言，各類標(biāo)準(zhǔn)之間具有橫向互通性,在等級(jí)的設(shè)定、武器的選擇以及測(cè)試方法的制訂上基本一致可通用。

07結(jié)語(yǔ)與展望

隨著科技的發(fā)展，研發(fā)高強(qiáng)度、輕量化以及抗彈性能好的高性能輕質(zhì)復(fù)合材料是未來的發(fā)展趨勢(shì)研發(fā)中要考慮到客戶對(duì)復(fù)合材料要求的差異性，選擇性價(jià)比合適的原材料，掌握復(fù)合材料的損傷破壞機(jī)理，從而找到合適的制備工藝與纖維混雜搭配;加強(qiáng)彈道極限速度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立、層壓板的抗彈機(jī)理及斷裂增韌機(jī)制等方面的研究，為后續(xù)的研發(fā)提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

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