徐檸浩 方婷婷 黃曉梅 陳紅霞 曹海建

1. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019;2. 際華三五一五皮革皮鞋有限公司,河南 漯河 462300

1 防彈頭盔的發(fā)展概況

防彈頭盔起源于一場(chǎng)意外事件。1914年,德軍向法軍發(fā)動(dòng)炮擊時(shí),法軍一名炊事員為了躲避漫天的彈片及飛石,將一口鍋扣在了頭上,從而保護(hù)了頭部免于受到傷害。其后,法國(guó)的亞德里安將軍受此啟發(fā),下令設(shè)計(jì)了一款能保護(hù)頭部的裝備,即M1915亞德里安盔,它是法軍的第一款標(biāo)準(zhǔn)頭盔,也是現(xiàn)代防彈頭盔的起源[1]。

美軍防彈頭盔發(fā)展歷程如圖1[2]314所示。美國(guó)陸軍對(duì)英法第一次世界大戰(zhàn)用的頭盔進(jìn)行了改良,制備了原料為哈德菲爾德鋼的M1917鋼盔。1940年,迫于可能到來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)壓力,美軍對(duì)M1917鋼盔進(jìn)行改進(jìn),研制出著名的M1鋼盔。20世紀(jì)60年代初,美國(guó)陸軍開(kāi)始了一項(xiàng)利用更輕質(zhì)、強(qiáng)度更高的防護(hù)配置來(lái)取代M1鋼盔的計(jì)劃[2]315。經(jīng)過(guò)大量的研究,加之高性能纖維Kevlar(對(duì)位芳綸)的問(wèn)世,研發(fā)人員于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出地面部隊(duì)人員裝甲系統(tǒng)(personnel armor system for ground troops,PASGT)頭盔,并大量列裝軍隊(duì)。

圖1 美軍防彈頭盔的發(fā)展歷程

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展與升級(jí),對(duì)防彈頭盔防護(hù)性能、質(zhì)量控制的要求越來(lái)越高,PASGT頭盔也逐漸無(wú)法適應(yīng)新的需求?；诖?美國(guó)陸軍于2003年利用性能更好的Kevlar 129研制出先進(jìn)戰(zhàn)斗頭盔(advanced combat helmet,ACH)。ACH在防護(hù)性能更高的同時(shí),自身質(zhì)量減小了7.3%[3]。2007年,迫于阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)的壓力,美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)開(kāi)始以超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)為增強(qiáng)體研制增強(qiáng)戰(zhàn)斗頭盔(enhanced combat helmet,ECH),以進(jìn)一步減小頭盔自身質(zhì)量,ECH能抵御7.62 mm口徑的步槍子彈直射,目前已批量列裝軍隊(duì)。

我國(guó)于20世紀(jì)70年代后期成功研制出第一代防彈頭盔GK-80,并于20世紀(jì)90年代成功研制出芳綸增強(qiáng)頭盔QGF-02,后續(xù)又研制出QGF-03、QGF-11等高性能防彈頭盔,這標(biāo)志著我國(guó)防彈頭盔在朝著高防護(hù)、高舒適、輕量化的方向發(fā)展。

防彈頭盔呈半球形,由盔殼和懸掛緩沖系統(tǒng)組成,其中盔殼部分承擔(dān)著最重要的防護(hù)作用,因此盔殼材料、結(jié)構(gòu)等的相關(guān)設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)于目前已大量投入使用的復(fù)合材料頭盔,要進(jìn)一步提升防護(hù)性能并減小其自身質(zhì)量,相關(guān)研究主要分為兩個(gè)方向:一是開(kāi)發(fā)新的高性能材料;二是探究防彈頭盔生產(chǎn)過(guò)程中纖維、樹(shù)脂原料及生產(chǎn)工藝的最佳搭配,以充分發(fā)揮復(fù)合材料中不同組分材料各自的優(yōu)勢(shì)。

2 防彈機(jī)制

鋼盔是依靠鋼材本身的硬度來(lái)抵抗沖擊的,而鋼材本身的質(zhì)量較大,以鋼材制成的防彈頭盔較笨重,對(duì)佩戴者頭部和頸部的負(fù)擔(dān)極大。而防彈用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的防彈機(jī)制則完全不同,從本質(zhì)上而言,其是將高速?gòu)椡璧臎_擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料的勢(shì)能并吸收或耗散掉。從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)角度看,受到彈道沖擊以后,復(fù)合材料的吸能形式主要分為3種:纖維增強(qiáng)體斷裂、樹(shù)脂基體碎裂及界面分層[4]。高速子彈沖擊材料時(shí),迎彈面纖維受壓縮剪切破壞,而背彈面纖維發(fā)生拉伸破壞[5],沖擊能量會(huì)以應(yīng)力波(包括橫波與縱波)的形式在復(fù)合材料中傳播,其中,縱波沿著纖維的軸向傳播。陳利民[6]7研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)縱波達(dá)到邊界位置(即織物的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處)時(shí),部分沖擊能量會(huì)反射,與原方向的縱波發(fā)生疊加,導(dǎo)致該位置的沖擊能量增加,從而引發(fā)纖維斷裂,如圖2[7]所示。

圖2 復(fù)合材料中應(yīng)力波的傳播形式

無(wú)緯(uni-directional,UD)織物是一種僅在單個(gè)方向上含有大量高性能纖維的復(fù)合材料織物,其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。這種織物結(jié)構(gòu)中不存在經(jīng)緯紗交織點(diǎn),因而縱波能夠傳播得更遠(yuǎn),并且也不會(huì)原路反射,因此UD織物的防彈性能普遍優(yōu)于存在交織點(diǎn)的機(jī)織物。三維織物因其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),其中的纖維屈曲和皺縮較多,應(yīng)力波傳播能力較差,而防彈性能也較差。但也有研究者認(rèn)為,三維織物中Z捻向紗的存在使得織物具有良好的結(jié)構(gòu)完整性,抗侵徹性能和抗分層性能優(yōu)異,故防彈性能優(yōu)于其他類(lèi)型織物[8]10。關(guān)于三維織物復(fù)合材料防彈性能優(yōu)劣的研究,目前仍在進(jìn)行當(dāng)中。

圖3 UD結(jié)構(gòu)示意

除增強(qiáng)體結(jié)構(gòu),增強(qiáng)纖維本身的性能對(duì)復(fù)合材料性能也有很大的影響。若纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度、模量及密度,則縱波的傳播速度較快,則沖擊能量可以更快地被吸收耗散[6]9。因此,防彈復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維常選用對(duì)位芳綸與UHMWPE纖維等高性能纖維。

樹(shù)脂基體碎裂問(wèn)題主要與基體本身的特性有關(guān)。如:熱固性樹(shù)脂剛度高、脆性大,受沖擊后易碎裂;熱塑性樹(shù)脂韌性好、抗沖擊能力強(qiáng),但易變形[9]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,界面的存在使得增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體共同形成完整的復(fù)合材料,從而使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能,同時(shí)界面也承擔(dān)著傳遞應(yīng)力波橫波的作用。界面分層也是復(fù)合材料吸能的一種重要形式,但界面的黏結(jié)強(qiáng)度需適中。黏結(jié)強(qiáng)度過(guò)低易導(dǎo)致復(fù)合材料嚴(yán)重分層,纖維也易產(chǎn)生滑移,從而影響復(fù)合材料性能;黏結(jié)強(qiáng)度過(guò)高雖能抑制復(fù)合材料的分層,但會(huì)導(dǎo)致纖維的高強(qiáng)高模特性無(wú)法有效發(fā)揮,同時(shí)會(huì)使復(fù)合材料對(duì)彈丸的包角受限[10],致使復(fù)合材料的防彈性能下降。

3 防彈頭盔用增強(qiáng)纖維

3.1 芳綸

應(yīng)用在防彈領(lǐng)域的芳綸纖維主要有對(duì)位芳綸(芳綸Ⅱ)和雜環(huán)芳綸(芳綸Ⅲ)。

對(duì)位芳綸最早被美國(guó)陸軍應(yīng)用于防彈領(lǐng)域,他們采用對(duì)位芳綸作為增強(qiáng)纖維開(kāi)發(fā)復(fù)合材料,用以代替金屬材料制備防彈頭盔。實(shí)踐證明,得益于對(duì)位芳綸本身的超高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)異特性[11],其復(fù)合材料的防彈性能明顯優(yōu)于鋼盔,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了防彈頭盔的輕量化。目前,世界各國(guó)應(yīng)用最多的仍是由對(duì)位芳綸制成的防彈頭盔。但對(duì)位芳綸也存在一定的缺陷,例如,在紫外光照射下,對(duì)位芳綸的大分子鏈會(huì)斷裂,導(dǎo)致防護(hù)性能大幅下降[12]。目前,對(duì)位芳綸工業(yè)化的產(chǎn)品主要有美國(guó)杜邦公司的Kevlar,日本帝人公司的Twaron,韓國(guó)科隆公司的Heracron,中國(guó)煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司的Taparon。

對(duì)對(duì)位芳綸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,引入苯并咪唑結(jié)構(gòu)可開(kāi)發(fā)雜環(huán)芳綸。雜環(huán)芳綸不僅力學(xué)性能比對(duì)位芳綸更優(yōu),而且改善了對(duì)位芳綸不耐紫外光的缺點(diǎn),因而應(yīng)用范圍更廣。目前,我國(guó)已研發(fā)出雜環(huán)芳綸防彈頭盔,對(duì)比同等防護(hù)性能的對(duì)位芳綸頭盔,其質(zhì)量可減小20%～30%[13]。

3.2 UHMWPE纖維

UHMWPE纖維問(wèn)世于20世紀(jì)70年代,它的拉伸強(qiáng)度在所有產(chǎn)業(yè)化的高性能纖維中是最高的,強(qiáng)度超過(guò)芳綸,密度小于芳綸[14]。21世紀(jì)初,美國(guó)陸軍為更進(jìn)一步減小防彈頭盔的質(zhì)量,開(kāi)始使用UHMWPE纖維研究開(kāi)發(fā)防彈頭盔。UHMWPE纖維由于纖維分子間沒(méi)有較大的作用力,且表面無(wú)活性基團(tuán),用作復(fù)合材料增強(qiáng)體時(shí)難以與基體形成良好的黏合界面[15],故多數(shù)時(shí)候?qū)⑵渲瞥蒛D織物使用。Karthikeyan 等[16]使用UHMWPE纖維和聚氨酯制備了UD織物,并研究得出鋪層方式為0°/90°的UD織物具有最佳的彈道性能。目前,也有研究對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性,改善其與樹(shù)脂基體界面的黏合性能。如胡逸倫等[17]利用多種物理及化學(xué)方法對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行改性,研究發(fā)現(xiàn),不同的改性方法各有優(yōu)缺點(diǎn):電處理法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的改性處理,但處理后的UHMWPE纖維表面黏結(jié)性能衰減嚴(yán)重;等離子處理法改性效果顯著,但成本高且難以連續(xù)化處理;化學(xué)刻蝕法不環(huán)保且易損傷纖維本身的力學(xué)性能;表面光接枝改性法對(duì)纖維性能影響小,改性后纖維表面黏結(jié)性提升明顯,但存在成本高和難以連續(xù)化處理的問(wèn)題。除此之外,UHMWPE纖維的抗蠕變性能較差,制成的防彈產(chǎn)品在受彈道沖擊后,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的背凹現(xiàn)象,即防彈材料被彈頭撞擊形變后其背面產(chǎn)生凹陷。針對(duì)這一情況,王爽芳等[18]通過(guò)提高相對(duì)分子質(zhì)量和改變牽伸工藝來(lái)提高UHMWPE纖維的拉伸模量,減少其產(chǎn)品出現(xiàn)背凹問(wèn)題。

3.3 聚對(duì)苯撐苯并二唑(PBO)纖維和聚(2,5-二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑)(PIPD)纖維

PBO纖維是20世紀(jì)80年代美國(guó)為發(fā)展航天航空事業(yè)而開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料用增強(qiáng)材料。Jonas 等[19]對(duì)PBO纖維、芳綸、聚芳酯纖維及碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行吸能情況對(duì)比,發(fā)現(xiàn)PBO復(fù)合材料在穿透沖擊中能夠吸收更多的能量,在防彈吸能領(lǐng)域具有很大的潛力。并且,PBO纖維的抗蠕變性能、模量也超過(guò)多數(shù)應(yīng)用于防彈領(lǐng)域的高性能纖維。但PBO纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維也存在一些問(wèn)題,如不耐紫外線(xiàn),抗壓縮性能差,與樹(shù)脂界面的黏合性能差等[20],因此并未大量應(yīng)用于防彈領(lǐng)域。

PIPD纖維與PBO纖維的分子結(jié)構(gòu)如圖4所示?？梢钥闯?兩者的分子結(jié)構(gòu)相似,但PIPD纖維獨(dú)有的三維氫鍵網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使其具有更好的界面黏合性能、軸向壓縮性能和更大的拉伸模量[21]。

圖4 PBO纖維和PIPD纖維的分子結(jié)構(gòu)

幾種常見(jiàn)高性能纖維的主要性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 幾種常見(jiàn)高性能纖維的主要性能參數(shù)對(duì)比

3.4 混雜纖維體系

隨著時(shí)代的發(fā)展變化,人們對(duì)防彈頭盔的防彈性能要求越來(lái)越高,單一的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已逐漸不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的防護(hù)需求。各種高性能纖維的特性不同,因此,混雜纖維體系逐漸受到關(guān)注。混雜是將具備不同特性的高性能纖維混合,制備復(fù)合材料,可賦予復(fù)合材料更優(yōu)異的性能。良好的纖維混雜比與混雜結(jié)構(gòu)體系能夠大幅提高復(fù)合材料的防彈性能。

李偉萍等[22]將對(duì)位芳綸和雜環(huán)芳綸按不同比例混雜,并以含雜環(huán)芳綸的復(fù)合材料分別作為迎彈面和背彈面進(jìn)行防彈性能試驗(yàn)。結(jié)果表明:以含雜環(huán)芳綸的復(fù)合材料為迎彈面時(shí),彈道極限速度V50(指子彈侵徹測(cè)試材料貫穿概率為50%時(shí)的子彈入射速度,它量化了材料的防彈性能,是評(píng)估材料防彈性能的參考指標(biāo),V50越大,表明材料防彈性能越好)較大,且在復(fù)合材料中雜環(huán)芳綸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～70%時(shí)體現(xiàn)得更明顯;隨著雜環(huán)芳綸用量的增加,防彈頭盔受擊后的變形量減小。周慶等[23]將UHMWPE復(fù)合材料和對(duì)位芳綸復(fù)合材料分別作為迎彈面和背彈面進(jìn)行防彈性能測(cè)試,結(jié)果顯示:以UHMWPE復(fù)合材料作為迎彈面、對(duì)位芳綸復(fù)合材料作為背彈面時(shí),彈道防護(hù)性能最佳時(shí)UHMWPE復(fù)合材料與對(duì)位芳綸復(fù)合材料的質(zhì)量比為50∶50;以對(duì)位芳綸復(fù)合材料作為迎彈面、UHMWPE復(fù)合材料作為背彈面時(shí),彈道防護(hù)性能最佳時(shí)UHMWPE復(fù)合材料與對(duì)位芳綸復(fù)合材料的質(zhì)量比為70∶30;混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的防彈性能優(yōu)于單一纖維復(fù)合材料。肖露等[24]將碳纖維復(fù)合材料作為迎彈面,玻璃纖維復(fù)合材料和對(duì)位芳綸復(fù)合材料作為背彈面制備混雜復(fù)合材料織物,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn):所得復(fù)合材料的防彈性能優(yōu)于純碳纖維、純玻璃纖維以及純對(duì)位芳綸制成的單一纖維復(fù)合材料。

目前,纖維混雜體系已大批量投入使用,這種可發(fā)揮不同高性能纖維優(yōu)勢(shì)的混雜纖維體系,有助于進(jìn)一步提升彈道防護(hù)用品的防護(hù)性能。

4 防彈頭盔預(yù)制件

纖維通過(guò)工藝交織排列成完整的組織結(jié)構(gòu)后,能夠更好地發(fā)揮纖維的特性,但不同纖維、不同組織表現(xiàn)出的性能也存在差異[25]。因此,根據(jù)纖維特性,合理設(shè)計(jì)織物組織能夠更好地發(fā)揮高性能纖維的作用。通常,防彈頭盔預(yù)制件的基本織物組織結(jié)構(gòu)主要分為一維UD織物、二維織物和三維織物。

4.1 UD織物

UD織物的形成原理:將纖維均勻單向平行排列后,與樹(shù)脂黏合,再正交復(fù)合層壓制得。這種成型方法可避免纖維織造過(guò)程導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。由于UD織物中紗線(xiàn)無(wú)彎曲且無(wú)交織點(diǎn),故高性能纖維的特性能夠更好地發(fā)揮,纖維也會(huì)因樹(shù)脂的固定而不會(huì)發(fā)生滑移,作用在其上的沖擊波也能被快速傳遞吸收[26-27]。

目前,市面上應(yīng)用較多的UD織物增強(qiáng)纖維主要有UHMWPE纖維和芳綸。UD織物的成型設(shè)備主要有無(wú)緯復(fù)合機(jī)和輥筒式無(wú)緯布機(jī)。制備UD織物的樹(shù)脂需滿(mǎn)足下述要求:具有較好的浸潤(rùn)性;成型后的樹(shù)脂應(yīng)具有一定的韌性,不易斷裂、收縮;滿(mǎn)足彈道防護(hù)需求。常見(jiàn)的滿(mǎn)足上述要求的樹(shù)脂主要有聚氨酯類(lèi)、橡膠類(lèi)和不飽和聚酯類(lèi)樹(shù)脂[28]。近年來(lái),隨著水性聚氨酯的不斷發(fā)展,其在UD織物中的應(yīng)用比例逐年增加。

由于UHMWPE纖維與熱塑性樹(shù)脂尤其是水性聚氨酯的黏合性能較好,因此UHMWPE纖維是生產(chǎn)UD織物最主要的纖維原料。相對(duì)而言,芳綸與純水性聚氨酯的黏合效果較差,因此其產(chǎn)品性能不及UHMWPE纖維制成的UD織物,需對(duì)水性聚氨酯進(jìn)行改性,提高其對(duì)芳綸的黏合效果。

4.2 二維織物

二維織物是由兩組互相垂直的紗線(xiàn)按照特定規(guī)律交織而成的。通常是將高性能纖維織制成平紋織物,因?yàn)槠郊y組織的經(jīng)緯向構(gòu)造平衡、穩(wěn)定,應(yīng)力分散效果相對(duì)較好。但織造過(guò)程中,經(jīng)紗纖維損傷大,導(dǎo)致紗線(xiàn)的性能受影響,最終成品復(fù)合材料的防護(hù)性能降低。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)中交織點(diǎn)多,應(yīng)力波反射疊加次數(shù)多,易導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大而造成纖維斷裂[6]7。二維織物預(yù)制件也可采用方平組織,相較于平紋,方平組織的紗線(xiàn)交織點(diǎn)數(shù)量較少,有利于應(yīng)力的傳播。目前,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域,應(yīng)用最多的仍是二維織物,因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的織物織造工藝簡(jiǎn)單,且有關(guān)這類(lèi)織物制備的復(fù)合材料各項(xiàng)性能的研究也十分成熟。然而,采用二維織物制備防彈頭盔時(shí),結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)導(dǎo)致織物整體緊實(shí),將其鋪設(shè)于曲面模具上時(shí),紗線(xiàn)難以滑移,從而易褶皺,無(wú)法很好地貼伏在曲面模具上,需要對(duì)其進(jìn)行裁剪,而裁剪會(huì)導(dǎo)致裁剪處織物的力學(xué)性能受損,進(jìn)而影響產(chǎn)品的防護(hù)性能。

4.3 三維織物

目前在防彈頭盔的生產(chǎn)過(guò)程中,由于防彈頭盔呈較復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu),工廠通常采用的是對(duì)UD織物或二維織物預(yù)制件進(jìn)行裁剪、拼接、層壓后再成型的方法。這樣做帶來(lái)的問(wèn)題有:材料浪費(fèi)嚴(yán)重,制備效率低且成本較高,同時(shí)拼接處的力學(xué)性能較差、防彈效果不足,存在安全隱患。

三維織物可有效改善這些問(wèn)題,其在復(fù)雜曲面成型過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)裁剪、無(wú)拼接、無(wú)褶皺,從而確保了復(fù)合材料的連續(xù)性和完整性[29]。Banduar等[8]12制備了二維機(jī)織裝甲與三維增強(qiáng)裝甲并對(duì)其進(jìn)行彈道測(cè)試與數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明,三維增強(qiáng)裝甲的彈道極限速度V50大于二維機(jī)織裝甲,其原因在于三維增強(qiáng)組織中的捆綁紗(Z捻向紗)提高了防彈復(fù)合材料的抗分層性能,從而提高了彈道防護(hù)性能。同時(shí),三維織物厚度大于二維織物,導(dǎo)致子彈的穿透率降低,從而防彈性能更好。然而,由于三維織物的織造難度大、生產(chǎn)成本高,且防彈性能仍處于探索性研究階段,故目前并未大規(guī)模投入使用,但這種組織結(jié)構(gòu)的織物具有很大的應(yīng)用潛力。

5 防彈頭盔用樹(shù)脂基體

防彈復(fù)合材料主要依靠纖維的拉伸變形吸收能量,因此材料中的樹(shù)脂含量較低,通常為14%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[30]。樹(shù)脂含量過(guò)低會(huì)使復(fù)合材料的層間黏合強(qiáng)度低、纖維松散,受彈丸高速?zèng)_擊時(shí),纖維易滑移,無(wú)法有效吸收能量[31];樹(shù)脂含量過(guò)高,則其對(duì)纖維的約束過(guò)大,纖維難以發(fā)揮作用,同時(shí)復(fù)合材料的密度也會(huì)增大,樹(shù)脂受沖擊時(shí)易發(fā)生內(nèi)聚破壞。防彈復(fù)合材料中,樹(shù)脂基體有3個(gè)主要作用:一是為纖維材料提供剛度,使其保持固定的形狀,減少?zèng)_擊帶來(lái)的變形;二是固定纖維,防止纖維受沖擊后滑移,影響防護(hù)效果;三是樹(shù)脂本身的斷裂破壞也能吸收彈丸產(chǎn)生的沖擊能量。樹(shù)脂基體分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂。防彈頭盔除需考慮最基本的防彈性能外,還需其在受沖擊后保持一定的剛度,避免因頭盔變形產(chǎn)生背凹而對(duì)人體頭部造成傷害。

熱固性樹(shù)脂剛度較高,是目前最常用的防彈復(fù)合材料樹(shù)脂基體。以熱固性樹(shù)脂為基體制成的頭盔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,受沖擊后不易變形,可以較好地維持頭盔整體形狀,但熱固性樹(shù)脂防彈性能一般。熱塑性樹(shù)脂則相反,其防彈性能良好[32],但基體的剛度較低,受外力沖擊后易變形,制成頭盔可能會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大,導(dǎo)致頭部受到傷害。Nayak等[33]制備了對(duì)位芳綸/環(huán)氧樹(shù)脂(Twaron/EP)熱固性復(fù)合材料與對(duì)位芳綸/聚丙烯(Twaron/PP)熱塑性復(fù)合材料并對(duì)其進(jìn)行彈道測(cè)試對(duì)比。研究結(jié)果表明,熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有更好的防彈性能,而熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的抗彎能力強(qiáng),剛度高。目前也出現(xiàn)了改性增韌熱固性樹(shù)脂的相關(guān)研究,其目的在于改善產(chǎn)品抗沖擊性能,提升防彈性能。經(jīng)過(guò)多年相關(guān)研究探索,已有學(xué)者通過(guò)在熱固性樹(shù)脂中添加橡膠類(lèi)彈性體、剛性粒子、熱塑性樹(shù)脂等材料的方法,實(shí)現(xiàn)了熱固性樹(shù)脂的增韌改性[34-35]。周慶等[36]通過(guò)添加剛性粒子對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性,實(shí)現(xiàn)板材彈道防護(hù)性能的提升。

前述內(nèi)容主要針對(duì)對(duì)位芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料的樹(shù)脂基體,對(duì)于另一種在彈道防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用較多的高性能纖維UHMWPE纖維,由于UHMWPE纖維本身的抗蠕變性能差,加之與其復(fù)合的樹(shù)脂多為聚氨酯、聚烯烴、聚乙烯等熱塑性樹(shù)脂,制成的防彈頭盔存在剛度不足的問(wèn)題,后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注該問(wèn)題。

6 防彈頭盔成型工藝

不同于防彈裝甲和防彈衣,防彈頭盔具有復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu),因此在選擇成型工藝時(shí),需要綜合考慮織物結(jié)構(gòu)及纖維和樹(shù)脂的特性。

6.1 真空輔助成型

真空輔助成型(vacuum assisted resin infusion, VARI)工藝是一種將裝有防彈頭盔預(yù)制件模具的真空袋抽真空,在真空負(fù)壓狀態(tài)下利用樹(shù)脂的流動(dòng)性抽取樹(shù)脂,使樹(shù)脂浸漬纖維增強(qiáng)體,然后在一定溫度下固化制備復(fù)合材料的工藝[37]。VARI工藝示意如圖5所示。謝婉晨等[38]利用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型(VARTM)工藝制備出三維角聯(lián)鎖芳綸頭盔,研究結(jié)果顯示,所得頭盔無(wú)明顯褶皺且性能良好。高歡等[39]在VARTM工藝的基礎(chǔ)上,先利用真空輔助懸垂技術(shù)(VADT)將芳綸織物平整地貼伏在模具上,再利用VARTM工藝制備頭盔殼體,這種將兩種工藝結(jié)合的方法無(wú)需裁剪且制得的頭盔無(wú)褶皺,進(jìn)一步的測(cè)試結(jié)果顯示,這種頭盔的頂部曲率大于側(cè)面和后部,沖擊防護(hù)性能好。

圖5 VARI工藝示意圖

6.2 模壓成型

模壓成型機(jī)制為將預(yù)制件和樹(shù)脂放入模具中,通過(guò)設(shè)備對(duì)原料進(jìn)行加壓升溫,利用樹(shù)脂在受熱受壓狀態(tài)下的流動(dòng)性使其充分浸潤(rùn)預(yù)制件,之后固化成型。模壓成型工藝具有原料損失少、完成度高的特點(diǎn)。該工藝中,壓力、溫度和時(shí)間等參數(shù)影響防彈頭盔壓制件的性能。孫奮麗等[40]研究發(fā)現(xiàn),固化壓力影響樹(shù)脂含量,進(jìn)而影響壓制件的力學(xué)性能,而固化溫度與固化時(shí)間主要影響壓制件的熔融程度和浸潤(rùn)性。徐英凱等[41]在確定模壓溫度與模壓時(shí)間后,改變成型壓力制備碳纖維織物/聚酰胺6(CFF/PA6)復(fù)合材料。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)增大壓力,復(fù)合材料的浸潤(rùn)性與界面黏合強(qiáng)度增加,力學(xué)性能得以提升。由于模壓成型工藝的效率高、能耗低,且制備的復(fù)合材料性能穩(wěn)定可靠,該工藝的發(fā)展較快,具有較好的應(yīng)用前景[42]。模壓成型工藝示意圖如圖6所示。

圖6 模壓成型工藝示意圖

7 防彈頭盔防彈標(biāo)準(zhǔn)

由于世界各國(guó)的政策不同,防彈類(lèi)防護(hù)品的防彈標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。目前世界上應(yīng)用最廣泛的防彈頭盔防彈標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)司法協(xié)會(huì)對(duì)2008年制定的NIJ 0 106.01進(jìn)行修訂完善后的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將防彈頭盔劃分為Ⅰ級(jí)、ⅡA級(jí)、Ⅱ級(jí)和ⅢA級(jí)[43]。

我國(guó)與美國(guó)在防彈頭盔的防彈標(biāo)準(zhǔn)及防彈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面均存在一定的差異。我國(guó)現(xiàn)行的防彈頭盔防彈標(biāo)準(zhǔn)為GA 293—2012《警用防彈頭盔及面罩》[44],該標(biāo)準(zhǔn)將防彈頭盔分為公安1級(jí)和公安2級(jí)兩個(gè)等級(jí)。防彈頭盔防彈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中,我國(guó)要求對(duì)各等級(jí)的頭盔均射擊5次,比美國(guó)的NIJ 0 106.01標(biāo)準(zhǔn)多1次;同時(shí),我國(guó)的防彈等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)不同材質(zhì)防彈頭盔的重量也提出了要求。

不同于普通的防彈用品,防彈頭盔還需著重考慮其受到彈丸沖擊后的背凹深度(BFS)。材料在受彈丸沖擊后會(huì)凹陷變形,若BFS過(guò)大,即便彈丸未擊穿防護(hù)材料,也會(huì)對(duì)佩戴者的身體造成傷害。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BFS的要求是16～25 mm(不同部位要求不同),而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定BFS需控制在25 mm以?xún)?nèi)。

8 防彈頭盔未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望

長(zhǎng)期以來(lái),防彈頭盔追求的目標(biāo)一直是高防護(hù)性、高舒適性及輕量化,以確保單兵作戰(zhàn)能力。與此同時(shí),現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)高度信息化,對(duì)防彈頭盔的戰(zhàn)術(shù)要求越來(lái)越高,功能集成化和智能化必將是其未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì),集成化、智能化的防彈頭盔能大幅度提高單兵的作戰(zhàn)能力。

對(duì)于防護(hù)用品而言,其首要目標(biāo)仍然是提高防護(hù)性、舒適性及輕量化。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),應(yīng)充分發(fā)掘現(xiàn)有材料的性能,探尋最佳的結(jié)構(gòu)、樹(shù)脂基體搭配及復(fù)合工藝等。與此同時(shí),新型高性能材料的研究開(kāi)發(fā)及新型組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也十分必要。