周 楠，樊武龍，唐 奎，唐松澤，陶秋辰

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纖維增強復(fù)合材料在輕質(zhì)防護領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進展

周 楠1，樊武龍2，唐 奎3，唐松澤1，陶秋辰1

（1. 南京森林警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系, 江蘇南京210023；2. 公安部物證鑒定中心十七處，北京 100038; 3. 南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理重點實驗室, 江蘇南京 210094）

纖維增強復(fù)合材料因具有優(yōu)異的紡織特性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等優(yōu)點，在輕質(zhì)防護領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為全面了解纖維增強復(fù)合材料在爆炸與沖擊侵徹載荷作用下的防護性能和破壞模式，綜述了Kevlar纖維和UHMWPE纖維增強復(fù)合材料的動力學(xué)性能、防護性能和破壞模式，重點討論了纖維序向、面密度和層數(shù)等因素對材料防護性能和破壞模式的影響。結(jié)合實際應(yīng)用，指出當(dāng)前研究工作中存在的不足，并提出有待進一步研究的方向。

輕質(zhì)防護；纖維增強復(fù)合材料；Kevlar纖維；UHMWPE纖維；破壞模式

纖維增強復(fù)合材料通常是以高強、高模的高性能纖維作為增強相，通過與基體材料的復(fù)合形成一連續(xù)介質(zhì)，因其具有比強度和比模量大、重量輕、可設(shè)計性好、抗疲勞性和動能吸收性好以及無“二次殺傷效應(yīng)”等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器工業(yè)、交通運輸和工程防護等國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個部門[1]。在航空航天領(lǐng)域中，如何在不增重甚至減重的情況下提高結(jié)構(gòu)的防護性能，這對飛行器的防護工作提出了新的挑戰(zhàn)[2]；在兵器科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，如何既保證裝甲車輛、武裝直升機等作戰(zhàn)單元的機動性，又提高其對有生力量的防護性，這也對材料和結(jié)構(gòu)防護性能的提升與完善提出了嚴(yán)峻的考驗；在公共安全領(lǐng)域，如何滿足防爆設(shè)備機動性、便攜性和實戰(zhàn)性的要求，亦具有重要的研究價值。

基于上述需求，如何實現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)高效的防護性能和輕量化設(shè)計（即性能/重量比）便成為當(dāng)下主要的研究熱點。各類復(fù)合材料和多層結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用便是在這一需求背景下應(yīng)運而生的，如陶瓷復(fù)合材料、玻璃纖維增強復(fù)合材料、泡沫夾芯復(fù)合材料和纖維增強復(fù)合材料以及“三明治”夾芯結(jié)構(gòu)和Whipple防護結(jié)構(gòu)等[3-4]。而纖維增強復(fù)合材料作為此類復(fù)合材料的代表，受到國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注，目前常用的纖維主要有玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等[5]。

在眾多種類的纖維增強復(fù)合材料中，Kevlar纖維和超高分子量聚乙烯纖維（ultra high molecular weight polyethylene fiber，簡稱UHMWPE纖維）因其自身優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，作為輕質(zhì)吸能材料已被廣泛應(yīng)用于防護領(lǐng)域中，針對二者的動力學(xué)性能、防護能力及其影響因素也開展了大量的研究工作。本文以全面了解纖維增強復(fù)合材料在爆炸與沖擊侵徹載荷作用下的防護性能和破壞模式為目的，綜述了Kevlar纖維和UHMWPE纖維材料的動力學(xué)性能、防護性能和破壞模式，重點討論了纖維序向、面密度和層數(shù)等因素對其防護性能和破壞模式的影響。

1 纖維動態(tài)力學(xué)性能研究

1.1 Kevlar纖維

目前用于彈道防護裝甲的纖維材料主要集中于高模、高溫、適當(dāng)斷裂應(yīng)變的高性能纖維。三維編織纖維增強復(fù)合材料利于進行序向設(shè)計以實現(xiàn)各向異性的防護性能，同時還具有較高的橫向力學(xué)性能和層間剪切強度、耐高溫、耐腐蝕和穩(wěn)定持久等優(yōu)點；與單一的金屬相比，具有重量輕、膨脹系數(shù)小、高強度、高剛度和耐疲勞等優(yōu)點，比彈性模量一般為工業(yè)合金的2~3倍[6]。在眾多種類纖維中，Kevlar纖維因其重量輕、強度高（2.6~3.4 GPa）、模量高（70~120 GPa）、耐高溫、絕緣性能好和紡織性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)防護領(lǐng)域[7]。

國內(nèi)外對纖維增強復(fù)合材料在防護領(lǐng)域的應(yīng)用已開展了部分研究工作[8-9]。在纖維動態(tài)力學(xué)性能研究方面，Chocron等[10]發(fā)現(xiàn)：在較高應(yīng)變率下，失效應(yīng)變隨應(yīng)變率增大而減小，這表明，在低應(yīng)變率條件下，失效應(yīng)變隨應(yīng)變率增大而增大；在高應(yīng)變率條件下，失效應(yīng)變隨應(yīng)變率增大而減?。慌韯偟萚11]利用爆炸自由膨脹環(huán)拉伸技術(shù)研究高應(yīng)變率下樹脂基纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)不同纖維的樹脂基增強復(fù)合材料的力學(xué)性能在超高應(yīng)變率下隨應(yīng)變率變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；對于不同應(yīng)變率下材料的動態(tài)力學(xué)性能，Iannucci等[12]認(rèn)為：復(fù)合材料的壓縮模量與應(yīng)變率沒有明顯的相關(guān)性，而與基體相關(guān)的響應(yīng)，如剪切強度、模量都與應(yīng)變率密切相關(guān)；Lassig[13]、Russell[14]和Vieira[15]等開展了關(guān)于纖維材料加載技術(shù)（“反平面板”沖擊加載技術(shù)）、不同應(yīng)變率范圍（10-4~103s-1）內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及材料本構(gòu)方程等內(nèi)容的研究工作；許沭華[16]在研究了Kevlar纖維增強復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮性能后得出，屈服強度隨應(yīng)變率的增大而提高，并有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，達到屈服以后，都有明顯的軟化效應(yīng)，且在高應(yīng)變率下有一明顯的屈服段；張珊珊[17]采用UV處理和磷酸處理法對Kevlar纖維進行表面處理，并利用SEM技術(shù)和紅外光譜分析Kevlar纖維表面結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成的變化，系統(tǒng)研究了適用于Kevlar纖維增強復(fù)合材料的柔性環(huán)氧樹脂基體，測試了復(fù)合材料的力學(xué)性能；王禮立[18]指出目前關(guān)于建立率相關(guān)本構(gòu)關(guān)系的研究已越來越多的采用宏細(xì)觀研究相結(jié)合的方法。

1.2 UHMWPE纖維

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE纖維）是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第3代具有高強度、高模量的高性能纖維，其具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊和抗切割性能、耐化學(xué)腐蝕性和耐低溫性，同時，它還是所有高強高模纖維中密度最小的纖維（0.97 g/cm3），不同纖維物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[5]。相較于Kevlar纖維，UHMWPE纖維具有更小的密度和更高的強度，采用UHMWPE纖維制備的防護復(fù)合材料也具有密度小、防護性能高的特點，在同等面密度下，抗侵徹性能比芳綸纖維增強復(fù)合材料高約25%[19]，即在重量相同的情況下可提供更高的防護強度。因此，UHMWPE纖維增強復(fù)合材料在人體、裝甲車輛、艦船等輕質(zhì)防護領(lǐng)域中均有著廣闊的應(yīng)用前景，常用作防彈頭盔、防彈衣、防爆罐、裝甲板和艦船艙室等主要防護材料。

國內(nèi)外學(xué)者就UHMWPE纖維的動態(tài)力學(xué)性能也開展了諸多有益的研究。UHMWPE纖維材料的靜態(tài)拉伸和不同應(yīng)變率下拉伸的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1所示[20]。

圖1 UHMWPE在不同應(yīng)變率下的拉伸曲線

Attwood等[21]研究了沿著增強纖維方向加載時材料的壓縮行為，指出與Kevlar纖維增強復(fù)合材料不同的是，UHMWPE纖維增強復(fù)合材料的抗壓強度不受纖維本身影響，而是受復(fù)合板材微彎曲度影響；李偉等[22]采用ABAQUS有限元程序，將力學(xué)本構(gòu)模型簡化為面內(nèi)“各向同性”模型和層間“節(jié)點力”模型，研究了UHMWPE纖維層合板的抗彈性能和失效模式，指出簡化后的模型能夠較好地模擬UHMWPE纖維層合板的抗彈過程；張煒等[23]研究了超高分子量聚乙烯的微觀物理性能與可紡性和力學(xué)性能的關(guān)系，研究表明纖維的沖擊強度與材料的結(jié)晶度、微晶尺寸、纏結(jié)點密度等因素有關(guān)，結(jié)晶度越高韌性越差；喻文等[24]分別將納米氧化鋁、酸蝕納米氧化鋁和功能化納米氧化鋁分別加入超高分子量聚乙烯制得拉伸性質(zhì)更優(yōu)異的復(fù)合纖維，研究了其熱學(xué)性質(zhì)及拉伸性質(zhì)，討論了納米氧化鋁對纖維拉伸性質(zhì)的影響。

表1 幾種高性能纖維性能參數(shù)

2 纖維增強復(fù)合材料防護性能研究

在纖維增強復(fù)合材料的防護性能實驗研究方面，F(xiàn)lanagan等[25]發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料的侵徹區(qū)域呈圓形，并認(rèn)為在同等密度下，三維編織復(fù)合材料的彈道極限速度小于層壓復(fù)合材料；Duan等[26]研究了彈體與織物、織物紗線間的摩擦力對層合板吸能的影響，認(rèn)為這兩種摩擦力之間存在耦合作用，不僅能夠吸收能量，還能增加織物的應(yīng)變能和動能；Zhang等[27]研究了UHMWPE纖維單向布、二維平紋布及三維編織布復(fù)合材料的抗沖擊性能，研究表明：單向布具有最佳的防護性能；Hosur等[28]比較了縫紉/未縫紉纖維增強復(fù)合材料的彈道沖擊性能，指出經(jīng)縫紉制備的纖維增強復(fù)合材料的彈道極限高于未縫紉纖維材料，并隨著厚度的增加而增加；張寶璽等[7]對Kevlar纖維增強復(fù)合材料的抗侵徹性能開展了實驗研究，并對防護結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化；蔡軍鋒等[29]通過在UHMWPE纖維層合材料中設(shè)置PVDF壓電傳感器來測試材料對爆炸沖擊波的衰減特性，實驗裝置如圖2所示，研究表明由UHMWPE纖維作增強劑制備而成的增強聚氨酯泡沫塑料對爆炸沖擊波具有良好的吸收防護性能，且纖維長度對材料的吸波性能具有較大的影響；楊宏偉等[30]通過開展彈道實驗研究了UHMWPE纖維單向無緯布及單向無緯布/2維織物的抗彈性能，研究指出單向無緯布/2維織物結(jié)構(gòu)有利于抵御多發(fā)彈的侵徹。

圖2 爆炸沖擊波衰減性能測試實驗裝置

在理論和數(shù)值研究方面，陳曉等[6]在觀察彈擊實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了簡約的彈道侵徹有限元模型，指出按強度關(guān)系在厚度方向采用“弱-次強-強”的組合方式可得到最佳的防護效果；王云聰[8]等人對Kevlar纖維復(fù)合板的抗彈性能開展了數(shù)值研究，采用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建立了Kevlar纖維層合板的三維有限元計算模型，討論了靶板的抗彈機理和破壞模式，研究指出隨著靶板厚度的變化，其抗侵徹性能會出現(xiàn)一拐點，隨著靶板厚度的進一步增加，靶板吸收能量將減少，抗侵徹性能下降；鐘蔚華等[31]研究了不同質(zhì)量鋼球和鎢球侵徹下，以Kevlar129纖維為增強材料、聚氨酯為樹脂基體的芳綸復(fù)合材料的抗彈性能和失效模式，提出了一種新的芳綸復(fù)合材料抗貫穿性能表征方法，即直接作用面積比吸收能 ( PSEA )法；徐明林等[32]采用ANSYS有限元程序和理論分析對UHMWPE纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力進行了預(yù)測；吳志林等[33]采用實驗和理論分析法研究了彈丸侵徹陶瓷-UHMWPE復(fù)合板的過程，靶板結(jié)構(gòu)如圖3所示，將侵徹過程分為彈丸與陶瓷錐的相互作用和陶瓷錐與復(fù)合材料背板的相互作用，在此基礎(chǔ)上，建立了理論分析模型，實驗結(jié)果和理論預(yù)測值的相對誤差小于25%；晏麓暉等[34]采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件研究了鋼質(zhì)立方體彈丸對UHMWPE纖維層合板的侵徹過程，指出MAT_COMPOSITE_DAMAGE材料模型可較好地模擬UHMWPE纖維層合板；陳愛軍等[35]在分析軟質(zhì)纖維層的抗彈侵徹問題的基礎(chǔ)上，建立了彈丸侵徹超高分子量聚乙烯軟質(zhì)纖維層的有限元模型，并采用 Lagrange 算法作為計算方法數(shù)值仿真了彈丸的整個侵徹過程，論證了軟質(zhì)纖維層的破壞主要源于彈丸的剪切和拉伸作用。此外，其他學(xué)者還研究了織物面密度、彈速、成型壓力和組合方式等因素對芳綸、UHMWPE纖維和碳纖維等復(fù)合材料抗侵徹性能的影響[36-37]。然而，數(shù)值計算中關(guān)于纖維微觀建模以及細(xì)觀損傷機理的研究還有待于進一步加強。

圖3 陶瓷-UHMWPE復(fù)合板結(jié)構(gòu)圖

3 纖維增強復(fù)合材料破壞模式研究

在纖維增強復(fù)合材料毀傷機理研究方面，Paul等[38]研究發(fā)現(xiàn)，失效的順序是基體開裂、纖維斷裂、分層和背板材料的損壞等；Tan[39]認(rèn)為，層合板的失效順序為分層、纖維剝落帶、纖維撕裂、層合板的折皺等；Masta等[40]采用高速攝像和X光掃描技術(shù)研究了UHMWPE纖維增強復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)行為，指出當(dāng)總重量相近時，增強纖維可顯著提高復(fù)合材料的防護性能；Edison等[20]制備了含Kevlar纖維夾芯復(fù)合板材，面板和背板為AA 5086-H32鋁板，研究了復(fù)合材料在彈道防護中的應(yīng)用，討論了微尺度增強物對其防護性能和毀傷模式的影響，以及靶板面密度與能量吸收間的關(guān)系，Kevlar纖維在彈道侵徹下的微觀破壞模式如圖4所示，研究指出當(dāng)增強物為鋁粉顆粒時，夾芯復(fù)合材料對彈道侵徹能量的吸收率達到最高。

圖4 機織Kevlar纖維毀傷形貌SEM圖像

在國內(nèi)，熊杰等[41]將靶板的響應(yīng)過程分為壓陷、變形、基體破裂、纖維與基體的脫粘、纖維的斷裂及原纖化和分層等；顧伯洪等[42-43]采用掃描電鏡觀察了纖維在彈道沖擊下破壞的宏觀和細(xì)觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)受彈道沖擊的入射面以纖維剪切、壓縮破壞為主要破壞模式，出射面以纖維的拉伸破壞為主要破壞模式，且復(fù)合材料的破壞面積比較集中，這一點明顯區(qū)別于層壓復(fù)合材料；朱榮生等[44]實驗研究了56式鋼芯制式彈對三維編織芳綸/環(huán)氧靶板的侵徹現(xiàn)象；王元博等[45]以Kevlar纖維增強層合材料為對象，通過系列彈道沖擊實驗，研究了層合板的抗彈性能，著重分析了彈頭、纖維鋪設(shè)方式以及板厚等因素對靶板抗侵徹能力的影響，指出纖維鋪設(shè)方式引起的靶板抗彈性能的差異與板厚相關(guān)，靶板背面纖維多為拉伸斷裂，失效模式如圖5所示。

(a) 角度鋪層板???? (b) 織物鋪層板

通過上述研究可以看出，在纖維增強復(fù)合材料毀傷機理研究方面，越來越多的關(guān)注點集中于纖維增強復(fù)合材料的微觀毀傷機理，不管是實驗研究、理論研究還是數(shù)值仿真研究；鑒于實驗的高成本和理論的假設(shè)性限制，數(shù)值仿真在纖維增強復(fù)合材料的微觀毀傷機理研究方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了Kevlar纖維和UHMWPE纖維材料的動力學(xué)性能、防護性能和破壞模式，重點討論了纖維序向、面密度和層數(shù)等因素對材料防護性能和破壞模式的影響。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，以下兩方面的研究還有待豐富：

(1) 目前關(guān)于纖維增強復(fù)合材料防護性能的研究多集中于吸收爆炸沖擊波或抗破片沖擊侵徹單一方面，而實際情況是，爆炸沖擊波常伴隨著破片共同作用于防護材料上，所以需對纖維增強復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)在爆炸載荷和沖擊侵徹共同作用下的破壞模式和失效機理開展研究，深入探索材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的破壞響應(yīng)對能量吸收的作用機理和影響機制，以求通過材料細(xì)觀力學(xué)性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上有所創(chuàng)新，推廣多層夾芯復(fù)合材料在輕質(zhì)防護領(lǐng)域中的應(yīng)用，進一步實現(xiàn)有限空間內(nèi)爆炸物的安全防范。

(2) 在研究方法上，目前關(guān)于纖維增強復(fù)合材料的研究更偏重于數(shù)值計算、實驗研究以及在實驗基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗理論分析，相關(guān)理論研究還有待完善，而對于纖維增強復(fù)合材料在沖擊載荷下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞和毀傷機理的研究亦不夠系統(tǒng)和深入，所以綜合采用理論、實驗和數(shù)值法研究纖維增強復(fù)合材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能對材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的意義。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Advances in Application of Fiber Reinforced Composite Materials to Lightweight Protective Field

ZHOU Nan1, FAN Wu-long2, TANG Kui3, TANG Song-ze1, TAO Qiu-chen1

（1. Department of Criminal Science and Technology, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China;2. The 17thDepartment, Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security of PRC, Beijing 100038, China;3. Transient Physics Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China）

Fiber reinforced composite materials have a wide range of application in the fields of lightweight protection, because of its excellent textile properties and structural design. To investigate the protective performance and damage mode of fiber composite materials under the loading of explosion and penetration comprehensively, the dynamic properties, protective properties and failure modes of Kevlar fiber and UHMWPE fiber materials were summarized in this paper. The influence of fiber orientation, areal density and layer number on the protective performance and damage mode of composite materials were discussed. The deficiency existing in current research work was pointed out in combination with practical application, and some further research work was proposed.

lightweight protection; fiber reinforced composite material; Kevlar fiber; UHMWPE fiber; damage mode

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.008

O385

A

1674-3261(2017)04-0244-06

2017-03-14

國家自然科學(xué)基金項目(11602113, 11672138)；痕跡科學(xué)與技術(shù)公安部重點實驗室開放課題(2016FMKFKT04)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20161055，BK20151353)

周楠(1986-)，男，安徽淮南人，講師，博士。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1314.T.20170704.1544.001.html