龍 浩，尚武林，張二勇，楊 威

（連云港神鷹復(fù)合材料科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

恐怖襲擊和局部戰(zhàn)爭在世界范圍內(nèi)仍時(shí)有發(fā)生，士兵或警員被子彈擊中致死的比例較高，因此，世界各國都在不斷研制、優(yōu)化各類新型防彈材料。高性能纖維復(fù)合材料綜合了纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和特種樹脂基體的抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，是理想的防彈材料。

目前，工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維主要有對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（芳綸纖維）、超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）纖維和碳纖維。芳綸纖維的比強(qiáng)度和比模量是鋼鐵的10倍，而UHMWPE的比強(qiáng)度又高出芳綸纖維1.5倍。單根纖維或束絲并不能起到防彈的作用，將纖維按一定的規(guī)律排列整合，才能有效地抵御彈丸或破片的傷害。將纖維整合起來主要有兩種途徑，機(jī)織布和無緯布，前者是通過織機(jī)進(jìn)行編織，后者則是由單向復(fù)合工藝制成。

對(duì)于超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維，荷蘭DSM公司由SK60、SK65發(fā)展到SK75、SK76。聯(lián)合信號(hào)公司則有S900、S1000、S2000等品種。1986年，美國聯(lián)合信號(hào)公司得到荷蘭DSM公司專利許可后，開始以Spectra為商標(biāo)生產(chǎn)一種強(qiáng)度更高的纖維—UHMWPE。前者標(biāo)志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對(duì)防彈機(jī)理的認(rèn)識(shí)，極大地拓展了防彈材料的空間；后者則加速了防彈材料向輕量化、舒適化的方向發(fā)展。

彈丸或破片擊中織物后，產(chǎn)生的應(yīng)變波分為縱向波和橫向波，縱向波的交接點(diǎn)可將應(yīng)力傳給輔助纖維，橫向波產(chǎn)生的位移也通過交接點(diǎn)使邊緣纖維承受傳導(dǎo)的應(yīng)力。彈道學(xué)試驗(yàn)表明，40%～50%的能量被輔助纖維所吸收。所以，織物的交接點(diǎn)越多，能量被吸收得越多，防彈性能越好。因此，防彈織物的編織方式較多地采用平紋而非斜紋。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在破片的高速?zèng)_擊下，材料的應(yīng)變率效應(yīng)必須要考慮，因此，有必要開展UHMWPE、碳纖維及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測試。東華大學(xué)[1]和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)[2]等科研單位也在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試方面做了很多卓有成效的工作。由于不同廠家的生產(chǎn)工藝不同、采用的基體材料不同，復(fù)合材料成型工藝也有一定差異。

目前，對(duì)彈丸和破片侵入防彈材料及人體靶標(biāo)的數(shù)值計(jì)算研究有一定困難，一方面是由于復(fù)合材料的力學(xué)特性較難準(zhǔn)確模擬，另一方面是由于缺乏準(zhǔn)確的生物軟組織動(dòng)態(tài)力學(xué)模型及參數(shù)。生物軟組織的波阻抗很低，傳統(tǒng)霍普金森桿設(shè)備無法直接用來測量這類軟材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。蔡志華等[3]建立了一個(gè)帶堿式氯化鋁（Aluminum Chlorohydrate，ACH）材料的人體有限元模型，采用黏彈性材料人體模型來模擬力學(xué)響應(yīng)。通過仿真研究，重點(diǎn)分析了手槍彈侵損該模型過程中，有無泡沫襯墊和泡沫襯墊厚度對(duì)人體損傷的影響。在有泡沫作用下，身體組織壓力峰值降低了20.6%，材料背凸變形量減少了約10.0%；使用6 mm厚泡沫襯墊時(shí)顱骨出現(xiàn)了骨折，而使用12 mm厚泡沫時(shí)，身體組織壓力峰值減少了50.0%。

在試驗(yàn)研究方面，對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行彈道測試的研究較多，主要通過極限穿透速度（V50）和材料內(nèi)部膠泥凹陷深度來評(píng)估材料的防護(hù)性能。美國陸軍實(shí)驗(yàn)室一直在研究如何對(duì)UHMWPE材料的V50性能和內(nèi)部鼓包高度進(jìn)行優(yōu)化，并提出了一種新的復(fù)合結(jié)構(gòu)：在前75%厚度采用0/90鋪層方式，在后25%厚度按照每兩層相對(duì)于前兩層以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)22.5°的鋪層順序。研究表明，在使用Dyneema?HB25材料時(shí)，相比于傳統(tǒng)正交鋪層順序，采用該方法生產(chǎn)的試驗(yàn)樣品V50性能下降了10%，但是內(nèi)部背凸高度減小了45%。當(dāng)采用Spectra Shield? II SR-3136材料時(shí)，V50性能沒有降低，但內(nèi)部背凸高度減小了40%。

材料的V50和內(nèi)部背凸高度這兩個(gè)指標(biāo)并不能直觀地用于評(píng)價(jià)由此造成的人體損傷，因此需要建立一個(gè)可用于測試人體鈍擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的人體模擬靶標(biāo)。由于人體組織器官較多，這就增加了模型建立的難度。唐劉建[4]在研究防彈衣后鈍性損傷時(shí)，建立“明膠-胸廓”人體模擬靶標(biāo)，通過在靶標(biāo)內(nèi)放置加速度傳感器、壓力傳感器來獲取鈍擊過程中人體典型部位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在鈍擊情況下，防彈材料瞬時(shí)背凸經(jīng)常造成人體骨折，進(jìn)而對(duì)身體組織等重要器官產(chǎn)生損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至能造成人員死亡。

2 主要研究材料及方法

2.1 防彈纖維及其復(fù)合材料力學(xué)特性測試

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)和霍普金森桿（Split Hopkinson Tension Bar，SHTB）分別進(jìn)行UHMWPE纖維、CF纖維、基體及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測試。傳統(tǒng)霍普金森桿設(shè)備主要用于測試金屬材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性?；羝战鹕O(shè)備的桿件一般采用GCr15軸承鋼制作，直徑在14.5～19.0 mm，可以測量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮性能。

隨著沖擊生物力學(xué)研究的不斷發(fā)展，需要能夠準(zhǔn)確測量生物材料在高應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的手段與方法。生物軟材料的低波速和低波阻抗性質(zhì)給其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。雖然科技人員采用低波阻抗桿、高靈敏度傳感器等方法在一定程度上提高了透射信號(hào)的信噪比，但是在軟組織材料測試中實(shí)際需要解決的問題仍比金屬材料測試難很多。

2.2 復(fù)合防彈材料防護(hù)性能數(shù)值模擬

建立復(fù)合防彈材料數(shù)值計(jì)算模型，研究各項(xiàng)異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬方法。以人體幾何模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立包含頭骨、大腦、小腦等人體典型組織結(jié)構(gòu)的人體有限元模型。開展彈丸和破片損傷防彈材料人體模型的鈍擊效應(yīng)數(shù)值計(jì)算，為材料防護(hù)性能評(píng)估和人體損傷評(píng)估提供定量數(shù)據(jù)，為防彈材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

建立防彈材料的三維幾何模型，采用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。分別劃分兩種有限元方案，一種基于宏觀力學(xué)用每個(gè)單元模擬纖維和基體的宏觀力學(xué)性能，另一種基于微觀力學(xué)將纖維和基體分別采用不同的單元模擬。基于我國人體模型大數(shù)據(jù)，在Mimics軟件中構(gòu)建人體幾何模型，再采用Ansys/ICEM CFD軟件中對(duì)獲得的幾何模型進(jìn)行表面優(yōu)化。將防彈材料與人體有限元模型裝配組成鈍擊效應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，并在LS-Dyna軟件的前處理器中定義初始條件、邊界條件和接觸類型等求解信息，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來校驗(yàn)和完善數(shù)值模型。通過改變防彈材料碳纖維復(fù)合材料層的有限元網(wǎng)格和材料參數(shù)來模擬不同編織方式對(duì)材料穿透深度、背部瞬態(tài)凸起和壓力波等鈍擊特征量的定量影響規(guī)律。

2.3 復(fù)合防彈材料防護(hù)性能測試

制作人體模擬靶標(biāo)實(shí)物模型，并建立瞬態(tài)多參數(shù)同步測量系統(tǒng)；開展槍彈和破片以不同速度、不同角度侵入帶材料人體模型彈道沖擊試驗(yàn)；獲取瞬態(tài)變形、加速度、壓力波等典型特征量，為材料防護(hù)性能驗(yàn)證和數(shù)值模型驗(yàn)證提供必要的數(shù)據(jù)。

靜態(tài)力學(xué)測試采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，主要測量兩種纖維及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、壓縮和剪切特性。UHMWPE纖維、碳纖維、樹脂及其復(fù)合材料強(qiáng)度不同，需在不同噸位萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。

采用霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）裝置和高屈服強(qiáng)度、高彈性模量的特種合金鋼材質(zhì)的加載桿，測量UHMWPE無緯布和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能。采用霍普金森拉桿（SHTB）裝置、合金鋼加載桿和特制的試樣拉伸夾具，測量UHMWPE纖維、UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)特性。SHPB和SHTB試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 霍普金森壓桿（SHPB）

2.4 復(fù)合防彈材料實(shí)彈實(shí)驗(yàn)

高速投射物對(duì)有防護(hù)下均質(zhì)明膠靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)和數(shù)值研究如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好，給出了明膠內(nèi)瞬時(shí)凹陷和壓力波隨時(shí)間的變化規(guī)律，仿真結(jié)果基本再現(xiàn)了試驗(yàn)的主要現(xiàn)象，但具體數(shù)值與試驗(yàn)誤差較大。這主要是由于UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和彈道明膠的本構(gòu)模型和材料參數(shù)不夠準(zhǔn)確。

圖2 高速攝影拍攝的明膠內(nèi)沖擊凹陷隨時(shí)間變化情況

3 結(jié)語

采用材料力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算和彈道沖擊試驗(yàn)相結(jié)合的方法開展新型UHMWPE/CF復(fù)合防彈材料防護(hù)性能研究。在獲取復(fù)合材料和人體模擬材料準(zhǔn)確力學(xué)特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選，從而幫助企業(yè)節(jié)約研制成本、加快研發(fā)進(jìn)度。建立人體模擬靶標(biāo)和人體有限元靶標(biāo)，獲取鈍擊過程中人體的加速度、壓力波和應(yīng)力分布等特征參數(shù)，為科學(xué)合理地評(píng)估材料防護(hù)性能和人體損傷嚴(yán)重度奠定基礎(chǔ)。