陳 磊,徐志偉,李嘉祿,張劉飛,陳 利,吳曉青,孫 穎,陳光偉(天津工業(yè)大學復合材料研究所先進紡織復合材料教育部重點實驗室,

天津300160;2江陰出入境檢驗檢疫局,江蘇江陰214400)

防彈復合材料結構及其防彈機理

陳 磊1,徐志偉1,李嘉祿1,張劉飛2,陳 利1,吳曉青1,孫 穎1,陳光偉1(1天津工業(yè)大學復合材料研究所先進紡織復合材料教育部重點實驗室,

天津300160;2江陰出入境檢驗檢疫局,江蘇江陰214400)

探討了彈塊與防彈復合材料的作用機理,分析彈塊在侵徹過程中復合材料吸能方式和破壞模式的變化,提出了防彈復合材料的結構設計概念。分別研究了單根纖維性能、織物結構、樹脂性能、基體含量和復合材料界面粘接強度等因素對防彈性能的影響,并指出目前存在的不足,以期為今后防彈復合材料的結構設計提供借鑒。

防彈復合材料;結構設計;破壞模式;織物結構;界面

20世紀70年代以來,復合材料開始在防護過程中大量使用。纖維增強復合材料由于具有輕質(zhì)高強和高沖擊損傷容限等優(yōu)點,在航空航天、人體、車輛以及艦船重要艙室等防護領域受到了研究人員的青睞,并得到了越來越廣泛的應用[1,2]。

子彈與復合材料作用過程中發(fā)生侵徹,表現(xiàn)出了多種不同的破壞模式,如纖維的拉伸斷裂、層合板的分層、纖維和樹脂的脫粘及材料產(chǎn)生的背凸等。彈體動能就是在這些破壞中被逐漸消耗,從而達到了防彈的效果。本文針對彈道沖擊下子彈與復合材料的作用機理和破壞模式展開了分析,并根據(jù)子彈與復合材料在不同階段的作用機理對當前國內(nèi)外防彈復合材料的結構設計進行了研究。此外,影響復合材料防彈性能的因素很多,其中主要包括增強體、基體、界面和梯度結構等因素。對此,本文探討了包括天然纖維在內(nèi)的纖維種類、織物組織結構、面密度、基體的性能、含量、纖維與樹脂間界面性能以及梯度結構設計等因素對防彈性能的影響。

1 彈體與防彈復合材料的作用機理

1.1 應力波的傳播機理

應力波是應力和應變擾動的傳播形式,在可變形固體介質(zhì)中機械擾動表現(xiàn)為質(zhì)點速度和相應的應力、應變狀態(tài)的變化。在彈道沖擊中,子彈與靶板接觸的瞬間產(chǎn)生的應力波以兩個方向傳播,一是以連續(xù)的脈沖沿纖維的軸向傳播,受到?jīng)_擊的纖維通過基體樹脂及交錯點的相互作用,應力波在很多纖維上擴散開來;二是應力波的沿靶板縱向傳播,應力波在靶板的織物和基體界面及靶板自由面之間產(chǎn)生連續(xù)反射,使壓力變成拉應力。

研究發(fā)現(xiàn),應力波在兩種不同的材料中傳播時,當傳至兩種材料的界面會產(chǎn)生入射波和反射波[3],而且應力波在產(chǎn)生塑性變形的材料中的傳遞較在彈性變形材料中的傳遞規(guī)則許多[4]。應力波在纖維中傳播速度主要取決于纖維的楊氏模量[5]及其在復合材料中的狀態(tài)。一般,材料的模量越高,質(zhì)量越低,應力波傳播的速度越快。關于纖維形態(tài)對應力波傳播速度的影響,陳利民[6]通過對 Kevlar-29和尼龍66織物研究,認為織物中的纖維若存在交迭點或縐縮會使應力波產(chǎn)生反射,影響應力波在其中傳播(如圖1)。表1為應力波在幾種自由纖維(皺縮率為0%的纖維)和織物中的傳播速度,從表中可以看出,纖維模量越高,應力波的傳播速度就越快,自由纖維傳播應力波的能力明顯高于經(jīng)向纖維和緯向纖維。因此,在防彈復合材料的設計中,需兼顧纖維的力學性能及纖維在織物中的狀態(tài)。

圖1 纖維增強復合材料沖擊波的傳播形式[7]Fig.1 Model of the stress wave propagation in the fiber reinforced composites[7]

表1 幾種典型防彈纖維中的聲速(×103m/s)[6,7]Table 1 Sound velocity in some typical fibers(×103m/s)

1.2 高速沖擊下復合材料吸能方式及破壞模式

防彈復合材料吸能方式主要包括[8]:纖維的變形、纖維的拉伸斷裂、分層、基體開裂、材料的剪切破壞、彈體與復合材料的摩擦和“背凸”的形成等。吸能較多的為材料的分層、纖維的拉伸斷裂及基體開裂,其他方式則相對較少。其中材料的分層主要取決于復合材料的結構設計,纖維的斷裂主要取決于纖維強度,而基體的開裂主要取決于所選基體的性能。

評價靶板防彈性能的國際通用指標是彈道極限速度V50,它是指針對一定質(zhì)量的彈塊在該速度下(入射方向不變)穿透給定系統(tǒng)靶板的概率為50%[9]。在防彈過程中,復合材料的破壞模式有多種,主要有纖維剪切和拉伸破壞,層合板的分層等。當彈丸開始作用于復合材料時,由于彈丸產(chǎn)生的壓縮應力,織物產(chǎn)生了變形。隨著子彈的侵徹,材料變形越為嚴重,緊隨著的是分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。當子彈從材料背面穿過時,背部形成較大的鼓包并伴有原纖化的現(xiàn)象產(chǎn)生,彈體進入一側,彈孔基本為圓形,孔內(nèi)呈現(xiàn)整齊的纖維斷頭,而彈體射出面無明顯彈孔,有長短不一的纖維抽脫,靶板面部鼓包較小,纖維的斷裂方式主要為拉伸斷裂。若彈體未能穿透靶板,彈孔周圍形成明顯的“+”,靶板背面出現(xiàn)較大的鼓包,靶板內(nèi)部出現(xiàn)分層。而且若靶板增強織物為單向或平紋織物,在彈體射出一側,靶板的最外層被撕起一些小窄條,撕起和脫落窄條數(shù)量與彈體的沖擊速度和彈體的質(zhì)量有關[10]。

2 增強體對防彈復合材料性能的影響

2.1 增強纖維性能的影響

在防彈復合材料中,作為增強體的高性能纖維主要包括高強聚乙烯纖維(U HMWPE)、芳綸纖維、炭纖維和玻璃纖維。U HMWPE[11]的優(yōu)越性能是由于它的超分子結構決定的,其傳播應力波的速度相當于芳綸纖維的兩倍[12]。但U HMWPE纖維在高溫下使用強度低,其惰性的分子鏈就很難與通用的樹脂基體粘接形成性能優(yōu)良的復合材料。為提高U HMWPE性能,Della[13]等采用碳納米管來增強U HMWPE纖維以提高其防彈性能。此外,射線等外界因素也間接影響著纖維的防彈性能,Alves[14]通過加速實驗發(fā)現(xiàn)250kGy的γ射線輻射后U HMWPE由韌性向脆性的轉換,從而影響其防彈性能。芳綸纖維的化學鍵主要由芳環(huán)構成,這種芳環(huán)剛性高,使聚合物鏈呈伸展狀態(tài),形成棒狀結構,因而纖維具有高模量,并且具有極強的韌性。但芳綸纖維是一種沿軸向排列的有規(guī)則的褶疊層結構,所以其橫向強度低、壓縮和剪切性能差且易劈裂[15]。玻璃纖維由于韌性較低,在防彈復合材料中一般用于層合板的夾層,炭纖維則因為其較低的壓縮強度[16]限制了它在彈道性能方面的應用。

研究表明[17],U HMWPE單位質(zhì)量能量吸收是29.9kJ/kg,炭纖維為63.5kJ/kg。與編織的芳綸/環(huán)氧復合材料相比,編織炭纖維布/環(huán)氧樹脂復合材料具有較高的能量吸收能力,因此混合脆性的炭纖維與韌性的高性能聚乙烯纖維,能使結構沖擊后保持了完整性及穩(wěn)定性,但能量吸收能力有所下降。張佐光[18]等人通過對不同面密度的玻纖復合材料靶板、芳綸復合材料靶板以及Dyneema UD66復合材料靶板進行了靶試,發(fā)現(xiàn)這三種復合材料的吸能都隨面密度的增加而增加,但增加速度不同,芳綸纖維和高強聚乙烯纖維明顯優(yōu)于玻璃纖維。

除了高性能纖維外,天然纖維在防彈領域的應用也逐漸受到人們的重視。Wambua[19]等人曾對黃麻、亞麻、大麻織物增強聚丙烯的復合材料防彈性能進行研究,結果發(fā)現(xiàn)亞麻織物增強聚丙烯復合材料的防彈性能竟高于純金屬鋼板,但黃麻和大麻織物防彈復合材料的防彈性能稍遜于純金屬鋼板。

2.2 二維織物結構的影響

Roylance等[20]指出,除了纖維的性能之外,織物的組織對材料的防彈性能同樣有著很大的影響。Karahan[21]等認為,對于機織物,由于交織的作用,紗線必定存在彎曲,當織物表面受到?jīng)_擊作用的時候,作用力就會產(chǎn)生水平方向以及垂直方向的分量Fx和Fy(如圖2所示),這會導致紗線之間相對滑移嚴重,產(chǎn)生更大創(chuàng)傷。

圖2 受彈道沖擊機織物纖維中的應力[21]Fig.2 Stress in the fiber of the woven fabric after ballistic impact

自由纖維在拉伸載荷下,受力狀態(tài)比較簡單,僅受到單純的正應力,而織物中的纖維不僅受到正應力,還受到了橫向的拉應力(如圖3所示)。圖中,纖維截面上的拉應力σt=P/(πd2/4)=4P/(πd2),彎曲力矩M=Pd/2,彎曲截面模量Wz=πd3/32,彎曲應力σb=M/Wz=(Pd/2)/(πd3/32)=16P/πd2=4σt,應力之和σ=σb+σt=5σt(式中P——拉力 ,d——纖維直徑)?？梢姶藭r,產(chǎn)生的合應力是拉應力的5倍。因此,相對于自由纖維,織物中的纖維更容易產(chǎn)生斷裂。

圖3 織物纖維受橫向力的分析Fig.3 Analysis of the stress in the fiber when horizontal force was applied

由圖3中可以看出,應力波在纖維中的傳遞取決于纖維的彎度以及交織點的個數(shù)。由于應力波在彎度小的纖維中傳播相對于彎度大的快,而應力波傳遞越快,單位時間內(nèi)傳遞能量越多,因此吸能效果越好,所以無編織物(纖維間無交織的織物)較編織、針織以及機織物的防彈性能好。在機織物中,相對于斜紋和平紋織物,緞紋織物的防彈性能最好。而相對于普通的機織物來說,一些針織物的防彈性能較好,如李勇[22]及梁子青[23]等分別對經(jīng)編及緯編雙軸向織物的抗沖擊性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)機織布由于彎曲的紗線本身存在應力,使其承受外部剪切力的能力減少,而雙軸向織物紗線呈平行排列,理論上內(nèi)部應力為零,不會產(chǎn)生機織布中紗線的蠕變和松弛現(xiàn)象,其紗線在受到?jīng)_擊時所有承載的應力也較機織布大。因此相對于普通機織物,雙軸向織物具有對載荷響應快的特點,在防彈中更受人們的青睞。

除二維織物中纖維取向外,織物的單層面密度和層數(shù)對復合材料的防彈性能也具有不可忽視的影響。Goldsmith[24]認為炭纖維/環(huán)氧層合板彈道極限速度V50是板厚的函數(shù),曲線初始階段斜率較大,然后隨板厚線性增長。增加織物的層數(shù)是增加其面密度的有效途徑,織物的層數(shù)增加,單層織物吸收的能量也會增加,總吸能便大大提高。而且在面密度一定的情況下,層數(shù)越多,單層面密度越低,織物的防彈性能越好[25-27]。當然,若一味地增加織物面密度,既提高了成本,又增加了質(zhì)量,并不利于防彈復合材料的廣泛應用。

2.3 三維織物結構的影響

由于三維編織復合材料細觀結構比較復雜,針對三維編織防彈復合材料國內(nèi)外研究目前還處于探索階段。Jenq[28]對玻璃纖維增強環(huán)氧四步法三維編織復合材料準靜態(tài)侵徹性能進行研究,指出了侵徹破壞包括基體開裂、纖維斷裂、纖維從試件背面抽拔等模式,并把準靜態(tài)侵徹破壞模式及破壞準則用于預測動態(tài)侵徹的剩余速度和靶板的彈道極限。練軍[29]首次提出了三維編織復合材料精細化的準細觀模型,并采用該模型有效地模擬了三維編織復合材料的彈道貫穿過程,獲得了纖維和樹脂抗侵徹過程中的吸能差異以及子彈受力變化等實驗無法得到的中間結果。Baucom[30]等還對其中含有氮氣的三維多孔復合材料(也稱泡沫復合材料)進行動態(tài)和準靜態(tài)研究,發(fā)現(xiàn)三維泡沫復合材料受到彈道沖擊時相對于無孔復合材料有許多優(yōu)點:①降低了材料的重量;②基體碎裂以后有一定的偏移,增加吸能;③氣孔給予了其中的纖維更大的可撓曲空間。因此,防彈材料的比吸能性獲得了大幅度的提高。

三維編織復合材料彈道沖擊破壞形態(tài)與二維織物相比[31],破壞發(fā)生于局部,復合材料橫向整體變形較小。細觀上正面纖維的斷裂面較為光滑,少部分纖維呈原纖化狀態(tài),而反面纖維大量表現(xiàn)為纖維的原纖化。相對于層壓復合材料,一般認為三維編織復合材料的防彈性能要稍微遜色,主要是由于三維編織復合材料中,纖維的屈曲以及縐縮較多,影響了應力波在其中的傳遞,導致子彈動能無法被迅速吸收。然而,Flanagan[32]認為,U HMWPE纖維增強的三維編織織物的防彈性能要優(yōu)于其他形式的織物,主要是因為其中的橫向紗線的存在以及其良好的結構整體性,高的抗侵徹性能以及低損壞。因此,關于三維編織織物和鋪層織物增強的復合材料的防彈性能的比較還有待進一步的考察。

針對縫合復合材料的防彈性能,目前也存在著一些爭議。Mouritz[33]通過對玻纖增強縫合復合材料的研究認為,縫合并不能明顯改善材料的彈道性能,主要因為在彈道沖擊下縫合織物的抗彎性能和非縫合的類似。然而 Hosur[34]等分別對25.4mm和12.7mm厚的玻璃纖維增強復合材料進行研究,發(fā)現(xiàn)相對于非縫合的復合材料,縫合復合材料的彈道性能略有提高,且12.7mm厚的縫合復合材料提高相對明顯。Hsin[35]等認為,在縫合的過程中,當縫合長度大于縫合寬度時,復合材料的防彈性能是同等材料下非縫合或其他縫合形式復合材料抗穿透性能的兩倍。

3 基體對復合材料防彈性能的影響

3.1 基體材料性能的影響

防彈纖維復合材料基體樹脂的性能及其含量直接影響著沖擊侵徹過程中纖維的分布和受力狀態(tài),從而影響到材料的破壞模式和防彈性能。熱塑性樹脂韌性良好的特點賦予了復合材料優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷能力,而熱固性樹脂基體在復合材料中交聯(lián)固化為三維網(wǎng)絡結構,剛度較高、脆性較大、抗沖擊和抗損傷的能力較差[7]。常用樹脂基體主要包括聚氨酯、橡膠、聚乙烯和乙烯基酯樹脂。

聚氨酯中由于含有柔性分子鏈,故具有極好的抗彎、抗沖擊性能,此外它還具有較強的剝離強度和化學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐低溫性能[36]。Lodewijk等人[37]研究發(fā)現(xiàn),使用高性能纖維增強無定形聚氨酯防彈復合材料可以防止由于受到彈擊而產(chǎn)生大量的破損對使用者形成的傷害。

橡膠類樹脂基體由于富有韌性和抗震性,其防彈性能整體上優(yōu)于聚氨酯類基體[38],被大量用于防彈復合材料韌性層中,以提高防彈效果。趙俊山[39]等人曾在防彈材料中加入橡膠,發(fā)現(xiàn)它的存在延長了彈頭侵徹過程,吸收了更多的彈體能量。由于天然橡膠具有易老化和耐有機溶劑性能不佳等缺點,人造橡膠聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(SEBS)在防彈材料中的使用逐漸浮出水面[40]。俞喜菊[7]等采用聚乙烯對SEBS彈性體進行改性,結果表明,在 SEBS中加入高密度聚乙烯(HDPE)大大提高了復合材料的抗沖擊強度,又賦予復合材料良好的加工流變性能及適當?shù)挠捕取?/p>

防彈領域采用的聚乙烯類樹脂主要有 HDPE和低密度聚乙烯(LDPE)。Arazi[41]等分別使用U HMWPE纖維增強 HDPE及LDPE,結果表明 HDPE由于發(fā)生較多的縱裂而使得其復合材料的防彈性能會高于LDPE基復合材料。

乙烯基酯樹脂因為具有酯基,密度低,綜合了環(huán)氧樹脂的粘結性能和不飽和樹脂的加工工藝。Walsh[42]在測試U HMWPE纖維增強復合材料的抗彈道侵徹的性能中發(fā)現(xiàn),乙烯基酯樹脂由于對纖維具有較好的粘結性,因此乙烯基酯復合材料的吸能性高于聚氨酯基復合材料。但它作為熱固性樹脂(包括環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂)所具有的低韌性特點限制了它在防彈復合材料領域的應用。

3.2 基體含量的影響

熊杰[43]等人通過對芳綸層壓復合材料彈道性能的研究,揭示了靶板的彈道極限、彈道性能指數(shù)與樹脂體積含量的關系。他認為層壓板的彈道極限主要取決于織物層數(shù),與樹脂體積含量關系不大,然而樹脂含量太低或者太高都會對材料的防彈性能產(chǎn)生不利的影響。一方面樹脂體積含量不能太低,防止樹脂層過薄造成織物與樹脂的界面黏結力過低,從而在子彈的高速沖擊下易產(chǎn)生界面粘結破壞;另一方面,樹脂體積含量也不能過高,對于具有相同織物層數(shù)的層壓板,樹脂含量增加導致了靶板重量的增加,而且樹脂含量偏高,層間的樹脂層變厚,而樹脂層又是弱相,彈擊時容易造成樹脂基體內(nèi)聚破壞,不能充分發(fā)揮纖維的作用。Andrew等[44]認為,在兩層織物之間僅需使用一層樹脂薄膜,以保證樹脂不會浸潤到纖維之間或者穿過整層纖維布,這樣可以獲得良好的彈道性能。同樣Cunning[45]的專利也揭示了在層間鋪三層樹脂的復合材料的防彈性能要明顯遜于層間僅鋪一層樹脂的復合材料。劉國權等人[46]還分析了對于不同種類的樹脂,增加其體積含量會導致復合材料V50值有不同的變化,例如橡膠等熱塑性樹脂作為基體的防彈復合材料隨著基體含量的增加,V50逐漸趨向于某一個值,而不會降低;而熱固性樹脂層合板當樹脂含量增加到一定程度以后,V50隨基體體積含量的增加而下降。同樣,對于不同纖維增強的防彈復合材料,理想樹脂含量也是不同的。表2為不同纖維增強防彈復合材料的理想樹脂含量。

從表中可以發(fā)現(xiàn),防彈復合材料所采用的樹脂體積含量一般都低于30%。主要是是由于防彈復合材料中樹脂對靶板剛性和結構整體性的主要貢獻僅為樹脂與織物表面纖維的粘結,避免纖維在彈丸沖擊下產(chǎn)生滑移,充分發(fā)揮纖維高強高模特性及傳遞應力、均衡載荷等功能,樹脂自身的碎裂吸能并不是彈道吸能的主要方式。

復合材料的成型壓力對材料的防彈性同樣具有很大的影響[48],主要是由于成型壓力直接影響了材料的面密度、體密度以及界面強度。成型壓力較小時,層與層之間結合不夠緊密,當一部分纖維受到?jīng)_擊時,無法通過層間耦合與其他纖維相互作用,纖維的協(xié)同效應差,不利于應力波的傳遞和沖擊能量的耗散,因而吸能較低。隨著成型壓力的提高,纖維間協(xié)同效應越來越強,吸能迅速提高,然而,達到最大值后,繼續(xù)提高成型壓力將使層板彎曲剛度提高,不利于纖維的拉伸變形,使得參與拉伸斷裂的纖維數(shù)目減少,因此吸能降低。

表2 不同纖維增強體最佳樹脂基體含量[45-47]Table 2 The best matrix volume fraction of the composites reinforced by different fibers[45-47]

4 界面對防彈性能的影響

界面的作用是促使纖維和基體形成一個整體,通過它傳遞應力[49]。從微觀角度看,界面是由表面原子及表面亞原子構成,基體與纖維表面原子的構成取決于原子間的親和力、原子和基團的大小以及復合材料制成后界面上產(chǎn)生的收縮量。對于復合材料中纖維與基體的結合,一般要滿足如下性能:①樹脂與纖維的接觸角盡可能地小,以達到完全浸潤;②樹脂黏度越小,越容易浸潤;③用物理及化學方法清除“薄弱界面”并賦予適當?shù)拇植诙萚36]。

在防彈機理中,纖維與基體之間的界面脫粘是復合材料吸收彈體能量的一個重要方式[50]。當界面粘接弱時,裂紋端部出現(xiàn)脫粘,脫粘引起的能量吸收主要取決于粘接強度,當界面粘接強時,纖維被沖斷和纖維端部應力松弛吸收能量。因此,適當降低界面粘接強度有利于提高沖擊韌性[46]。然而界面強度過低,基體與纖維的抱合能力會下降,纖維在彈擊作用下更易產(chǎn)生滑移,影響防彈性能[23]。其中,針對表面惰性較強的U HMWPE纖維,人們開展了一系列表面改性研究。Moon[51]通過氧等離子體刻蝕聚乙烯纖維表面,獲得了滿意的界面性能;Cohen[52]將具有一定張力的U HMWPE纖維浸在石蠟油中并加熱,發(fā)現(xiàn)在149℃左右時,纖維僅僅是表面膨脹而不會發(fā)生溶解,結果纖維表面更加粗糙的同時避免了纖維性能的明顯下降,由該纖維增強的乙烯基酯復合材料具備了更加良好的吸能性;鄭震[53]等人發(fā)現(xiàn)電暈法可使纖維表面氧化產(chǎn)生微坑、表面交聯(lián)等,消除了弱邊界層,增大了表面能。這些方法均具有兩方面的作用,一是通過對纖維表面的蝕刻作用,形成力學咬合力,另一方面是在纖維表面引入含氧基團,增強了纖維與樹脂的作用力[54]。

5 防彈復合材料的結構設計

防彈材料自問世以來就以迅猛的速度向前發(fā)展,由早期的普通金屬防彈板到單層的纖維增強樹脂基體的防彈復合材料,再發(fā)展到當今多層次、梯度化結構復合材料。表3為部分國內(nèi)外關于防彈復合材料的結構設計。

表3 部分防彈復合材料的結構設計方法Table 3 Structural design of some ballistic composites

從表3中不難看出,織物表層多采用壓縮強度較強的纖維,而內(nèi)層多采用拉伸強度較大的纖維。除增強材料之外,樹脂基體的性能也是結構設計考慮的重要因素之一。Cunning[45]認為,當里層纖維的韌性及斷裂伸長率遠遠小于表層纖維,層與層之間所采用的樹脂模量不低于48.3MPa時,可獲得優(yōu)良的抗彈性能。Prevorsek[61]認為在防彈材料的外表纏繞兩層互相正交的無緯布,可顯著提高材料的彈道侵徹性能。

由于防彈材料正面以纖維壓縮、剪切破壞為主,反面以拉伸破壞為主,因此,正面材料單向板應該采用壓縮強度較大的纖維如陶瓷纖維、高強玻纖等,背面則應采用拉伸強度較大的纖維,如芳綸、U HMWPE纖維等。背板若采用三維編織增強的復合材料[62],可減少分層以及穿透現(xiàn)象?？紤]到應力波的傳遞和織物組織及吸能的關系,可采用無編織物作為增強材料。在鋪層過程中,可錯配輔層角,有利于材料的防彈,主要由于裂紋穿過某層到達與相鄰纖維輔層角不同的層之間的界面時,由于相鄰層中纖維織物輔層角的變化,對裂紋沿厚度方向擴散起到了阻礙作用,因而迫使裂紋轉向薄弱的界面擴展,這樣輔層角不同的靶板受到的損傷相對較小且吸能較多[63,64]。

6 結束語

防彈復合材料作為高性能防彈材料具有質(zhì)量輕、成本低和吸能性好等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應用到防彈的各個領域,并有著廣闊的發(fā)展前景。但是隨著武器裝備的不斷更新?lián)Q代,對防彈復合材料也提出了新的挑戰(zhàn),仍有許多問題有待于進一步的解決,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)對增強體的結構進行優(yōu)化設計,研究增強體材料的結構對復合材料細觀結構和宏觀性能的影響,尤其是針對三維編織結構的研究還很少。

(2)分析樹脂基體與增強纖維的匹配性,針對不同的結構部位提出合適的基體樹脂。

(3)研究復合材料界面粘接強度與防彈極限速率的對應關系,建立相應的數(shù)學模型。

(4)根據(jù)彈塊在侵徹過程中復合材料的不同破壞模式,建立系統(tǒng)、詳實的數(shù)據(jù)庫,為防彈復合材料的設計提供理論依據(jù)。

[1] 梅志遠,朱錫,劉燕紅,等.纖維增強復合材料層合板彈道沖擊研究進展[J].力學進展,2003,33(03):375-388.

[2] ABRATE S.Impact on laminated composites:recent advances[J].Application of Mechanics Review,994,47(11):517-544.

[3] ABRATE S.Wave propagation in lightweight composite armor[J].Journal De Physique IV,2003,110:657-662.

[4] TASDEMIRCI A,HALL I W.The effects of plastic deformation on stress wave propagation in multi-layer materials[J].International Journal of Impact Engineering,2007,34(11):1797-1813.

[5] 曾黎明.功能復合材料及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[6] 陳利民.織物特性對防彈復合材料彈道性能的影響[J].纖維復合材料,1995(03):6-10.

[7] 俞喜菊.防彈纖維復合材料中樹脂的性能研究[D].上海:上海交通大學碩士學位論文,2006.

[8] NAIK N K,SHRIRAO P.Composite structures under ballistic impact[J].Composite Structures,2004,66(1-4):579-590.

[9] 李琦,龔烈航,張庚申,等.芳綸與高強聚乙烯纖維疊層組合對彈片的防護性能[J].纖維復合材料,2004,(03):3-5.

[10] 金子明,沈峰,曲志敏,等.纖維增強復合材料抗彈性能研究[J].纖維復合材料,1999,(3):5-9.

[11] 孫志杰,張佐光,沈建明,等.UD 75防彈板工藝參數(shù)與彈道性能的初步研究[J].復合材料學報,2001,18(2):46-49.

[12] 黃玉松,陳躍如,邵軍,等.超高分子量聚乙烯纖維復合材料的研究進展[J].工程塑料應用,2005,(11):69-73.

[13] DELLA C N,SHU D.Mechanical properties of carbon nanotubes reinforced ultra high molecular weight polyethylene[J].Advanced Structures and Functional Materials,2008,136:45-50.

[14] ALVES A,NASCIMENTO L,SURARZE J.Influence of weathering and gamma irradiation on the mechanical and ballistic behavior of UHMWPE composite armor[J].Polymer Testing,2005,24(1):104-113.

[15] 王榮國,武衛(wèi)莉,谷萬里.復合材料概論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.

[16] S K.Structure and properties of high performance polymeric and carbon fibers-an overview[J].SAMPE quarterly,1989,20(2):3-8.

[17] 薛璞,陶肖明,余同希.紡織復合材料能量吸收性能的研究進展[J].力學進展,2000,30(02):227-238.

[18] 張佐光,霍剛,張大興,等.纖維復合材料的彈道吸能研究[J].復合材料學報,1998,15(2):74-80.

[19] WAMBUA P,VANGRIMDE B,LOMOV S,et al.The response of natural fibre composites to ballistic impact by fragment simulating projectiles[J].Composite Structures,2007,77(2):232-240.

[20] ROYLANCE D,WILDE A,TOCCI G.Ballistic impact of textile structures[J].Textile Research Journal,1973,43(1):34-41.

[21] KARAHAN M.Comparison of ballistic performance and energy absorption capabilities of woven and unidirectional aramid fabrics[J].Textile Research Journal,2008,78(8):718-730.

[22] 李勇,陳南梁.機織平紋布和經(jīng)編雙軸向布層合材料抗沖擊性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2004,22(02):26-29.

[23] 梁子青,邱冠雄,周慶,等.緯編雙軸向織物復合材料的彈道沖擊響應[J].紡織學報,2003,24(03):217-219.

[24] GOLDSMITH W,CHANG H,DHARAN C KH.Quasi-static and ballistic perforation of carbon fiber laminates[J].International Journal of Solids Structures,1995,32(1):89-103.

[25] LEE L B,SONG W J,WARD T E.Failure of spectra polyethylene fiber-reinforced composites under ballistic impact loading[J].Journal of Composite Materials,1994,28(13):1202-1226.

[26] GABRIELLA F C.A study on the ballistic performance of composites[J].Macromolecular Symposia,2006,239(1):217-226.

[27] 張佐光,宋煥成,梁志勇.復合材料彈道性能的實驗與估算[J].材料工程,1994,(6):28-31

[28] J ENQ S T,KUO J T,SHEU L T.Ballistic impact response of 3-D four-step braided glass/epoxy composites[J].Key Engineering Materials,1998,141-143:349-366.

[29] 練軍.三維編織復合材料彈道侵徹模擬[D].上海:東華大學博士學位論文,2005.

[30] BAUCOM J N,ZIKRY M A,QIU Y.Dynamic and quasi-static failure evolution of 3D woven cellular composite systems[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,2004,23(5):471-481.

[31] 徐靜怡,顧伯洪.編織復合材料彈道沖擊破壞形態(tài)及模式[J].彈道學報,2002,14(2):39-43.

[32] FLANAGAN M P,ZIKRY M A,WALL J W,et al.An experimental investigation of high velocity impact and penetration failure modes in textile composites[J].Journal of Composite Materials,1999,33(12):1080-1103.

[33] MOURITZ A P.Ballistic impact and explosive blast resistance of stitched composites[J].Composites Part B-Engineering,2001,32(5):429-437.

[34] HOSUR M V,KARIM M R,J EELANI S.Studies on stitched woven S2 glass/epoxy laminates under low velocity and ballistic impact loading[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,2004,23(12):1313-1323.

[35] LI H L,KWON Y D,LEM K W,et al.Constructions having improved penetration resistance[P].USA Patent:5591933,1997-01-7.

[36] 何洋,梁國正,呂生華,等.超高分子量聚乙烯纖維復合材料用樹脂基體的研究進展[J].化工新型材料,2002,30(10):29-32.

[37] LODEWIJ K L J,MARIE B J H.Polyurethane composite[P].PCT:WO00/29468,2000-05-25.

[38] 沈春銀,章忠秀,盛季生.聚合物/納米粒子復合材料的制備及分散穩(wěn)定機理[J].化學與粘合,2000(04):178-181.

[39] 趙俊山,王勇祥,邱桂杰,等.結構/功能一體化輕質(zhì)復合防彈材料研究[J].玻璃鋼/復合材料,2005,(01):22-24.

[40] 張小林,程金星,陶影,等.新型熱塑性彈性體SEBS及其改性的研究進展[J].彈性體,2005,15(06):72-76.

[41] ARAZI Z S,HAREL H,MAROM G.Polyethylene/polyethylene composite materials for ballistic protection[J].SAMPE Journal(USA),1997,33(4):72-75.

[42] WALSH T F,LEE B L,SONG J W.Penetration failure of Spectra polyethylene fiber-reinforced ballistic-grade composites[J].Key Engineering Materials,1998,141-143:367-382.

[43] 熊杰,顧伯洪,周國泰,等.防彈層壓復合材料防彈性能的實驗研究[J].紡織學報,2003,24(06):47-49.

[44] PARK A D,PARK D,PARK A J.Ballistic laminate structure in sheet form[P].USA Patent:US7148162B2,2006-12-02.

[45] CUNNINGHAM D V.Unique ballistic composition[P].USA Patent:US7407900B2,2008-08-05.

[46] 劉國權,楊大峰,梅樹清.防彈用纖維復合材料最佳樹脂含量研究[J].玻璃鋼/復合材料,2001,(2):13-15.

[47] 梁子青,周慶,邱冠雄,等.超高分子量聚乙烯纖維防彈復合材料的研究[J].天津工業(yè)大學學報,2003,22(2):6-9.

[48] 張大興,張佐光,仲偉虹,等.成型壓力等因素對UD66靶板彈道性能的影響[J].北京航空航天大學學報,1999,25(4):378-380.

[49] 胡保全,牛晉川.先進復合材料[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[50] 彭剛,馮家臣,劉原棟,等.纖維增強復合材料抗彈吸能特性研究[J].彈道學報,2007,19(03):10-14.

[51] MOON S I,JANGJ.The effect of the oxygen-plasma treatment of UHMWPE fiber on the transverse properties of UHMWPE-fiber/vinylester composites[J].Composites Science and Technology,1999,59(4):487-493.

[52] COHEN Y,REIN D M,VAYKHANSKYL E,et al.Tailoring the interface in polyethylene fiber/matrix composites:surfaceentangled interfacial layer[J].Composites Part A-Applied Science and Manufacturing,1999,30(1):19-25.

[53] ZHENG Z,TANG X Z,SHI M W,et al.A study of the influence of controlled corona treatment on UHMWPE fibres in reinforced vinylester composites[J].Polymer International,2003,52(12):1833-1838.

[54] 鄭震,唐小真,施楣梧,等.UHSPE纖維的表面改性及其增強復合材料防彈性能的研究[J].兵器材料科學與工程,2002,25(6):3-7.

[55] 張佐光,孫志杰,張大興.一種復合材料高效高強度承力防彈板[P].中國專利:ZL02256562.0,2003-10-01.

[56] 張佐光,仲偉虹,孫志杰,等.輕質(zhì)復合材料防彈板[P].中國專利:ZL99210986.8,2001-1-24.

[57] 吳楊佳君.一種多層結構復合材料防彈板及防彈裝置[P].中國專利:ZL200520037954.6,2006-12-13.

[58] 陳成泗,陳冠軍.高性能PE材料與陶瓷板復合的防彈胸插板[P].中國專利:ZL200520129510.5,2006-10-18.

[59] 孫志杰,張佐光,張大興.一種復合材料防彈承力裝甲板[P].中國專利:ZL02256789.5,2003-09-17.

[60] HARPELL G A,PREVORSEK D C.Penetration and blast resistant composites and articles[P].USA Patent:5376426,1994-12-27.

[61] PREVORSEK D C,LEM K W,KWON Y D.Constructions having improved penetration resistance[P].USA Patent:5545455,1996-08-13.

[62] GROGAN J,TEKALUR S A,SHU KLA A,et al.Ballistic resistance of 2D and 3D woven sandwich composites[J].Journal of Sandwich Structures&Materials,2007,9(3):283-302.

[63] 黃英,劉曉輝,李郁忠.Kevlar織物增強復合材料層合板沖擊損傷特性研究[J].西北工業(yè)大學學報,2002,20(3):486-491.

[64] 黃英,劉曉輝,李郁忠.S-玻纖織物增強復合材料層合板的沖擊損傷特性研究[J].機械科學與技術,1999,18(03):483-488.

Structure and Bullet-proof Mechanism of Ballistic Composites

CHEN Lei1,XU Zhi-wei1,LI Jia-lu1,ZHANG Liu-fei2,CHEN Li1,WU Xiao-qing1,SUN Ying1,CHEN Guang-wei1
(1 Key Laboratory of Advanced Braided Composites(Ministry of Education),Institute of Composite Materials,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China;2 Jiangyin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Jiangyin 214400,Jiangsu,China)

The interaction mechanisms of bomb block and composites are discussed,and the energy-absorbing means and failure mode of composites are analyzed in the penetration process of bomb block.The structural design of bullet-proof composite was put forward.The influence of single-fiber properties,fabric structure,resin,matrix content and interface strength on the bullet-proof performance is investigated.It is expected that this paper is beneficial to the structural design of bullet-proof composites.

bullet-proof composite;structural design;failure mode;fabric structure;interface

TB332

A

1001-4381(2010)11-0094-07

天津市自然基金資助項目(10JCYBJC02300,09JCYBJC03700)

2009-07-27;

2010-04-15

陳磊(1986—),男,碩士研究生,主要從事抗沖擊復合材料的研究,聯(lián)系地址:天津市河東區(qū)成林道63號(300160),E-mail:xlchenlei@163.com