超高分子質量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應用

周 熠， 陳曉鋼， 張尚勇， 龔小舟

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200；2. 曼徹斯特大學 材料學院， 英國 曼徹斯特 M13 9PL)

超高分子質量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應用

周 熠1， 陳曉鋼2， 張尚勇1， 龔小舟1

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200；2. 曼徹斯特大學 材料學院， 英國 曼徹斯特 M13 9PL)

為提升柔性防彈服的防彈性能，將超高分子質量聚乙烯平紋織物用于單向鋪層材料中，以增強材料整體的能量吸收性能。通過穿透性彈道實驗發現：由超高分子質量聚乙烯纖維制成的機織物在沖擊過程中對受到的剪切作用有較好的抵御效果；單向鋪層材料對于橫向拉伸作用，有較好的防護作用。基于這種結論，設計了復合型防彈材料。測試結果表明，機織物放置在靠近彈丸沖擊的一側，單向鋪層材料放置在遠離彈丸沖擊的一側，這種結構有利于防彈復合材料性能的提升。當復合型防彈材料中機織物與單向鋪層材料質量比為1∶3時，其防彈性能最好。

聚乙烯平紋織物； 單向鋪層材料； 防彈性能； 能量吸收

高性能纖維在彈道防護領域中的運用使得柔性防彈服的防彈性能不斷提高，質量不斷地降低，并且為其使用者提供良好的舒適性和活動性。考慮到防護領域對材料力學性能特殊要求，大部分柔性防彈服所用的材料還僅僅局限于芳綸和超高分子質量聚乙烯纖維。芳綸具有較高的拉伸強度(2.9～3.4 GPa)和彈性模量(70～135 GPa)、較低的體積密度(1.44 g/cm3)和抗沖擊性能以及較好的耐熱性能, 成為優良的防彈材料；超高分子質量聚乙烯纖維是一種由平均相對分子質量在100萬以上的聚乙烯制備而成的纖維，是繼芳綸之后出現的又一種高強度(2.2～3.9 GPa)、高模量(52～131 GPa)的高性能纖維。該纖維除具有高強度、高模量的特點以外，還具有良好的耐化學腐蝕和耐光照性能和優良的耐沖擊、抗切割等性能，并且是所有高強高模纖維中密度最小的纖維(0.97 g/cm3)，因此，超高分子質量聚乙烯纖維同樣也是制作柔性防彈服的絕佳材料。

對于柔性防彈服而言，平紋織物結構在柔性防彈服的設計中使用最為廣泛。這是因為與其他形式的柔性材料相比，平紋織物的結構穩定性最好。在對針織物性能的研究過程中發現，雖然其能量吸收要比同類機織物高，但是其低拉伸模量會造成非常大的橫向變形，對于柔性防彈服的整體性能不利。氈類單向鋪層材料對低速大體積彈片的防護性能很好，但對高速小體積彈丸的防護效果卻不理想[1-2]。在平紋結構織物防彈性能的研究過程中，Cunniff[3]發現織物的緊度既不能太大也不能太小。太大的話會在織造過程中對纖維的物理性能造成影響，太小的話纖維易在彈丸沖擊過程中發生滑移，不利于能量的吸收與傳遞。Abiru等[4]對這一關鍵性問題做了更詳細的研究發現，織物中纖維屈曲越小，纖維的軸向與彈丸沖擊的方向越接近90°，高性能纖維的高模量和高強度就越能體現出來，但是為減少屈曲，勢必降低織物緊度，那么纖維在受到橫向沖擊時易產生滑移，因此，推導出一個臨界緊度，當織物的緊度在這個范圍時，才會獲得最好的防彈性能。

單向鋪層(unidirectional，簡稱UD)材料結構的發明解決了這一難題。在單向鋪層材料中，纖維呈相互平行狀排列，層與層之間以一定角度排列，隨后利用黏合劑進行層壓黏合[5]。由于黏合劑的使用量比較小(低于20%[6])，復合而成的材料具有一定的柔性。由于沒有紗線屈曲，能量能夠通過纖維迅速地傳遞到材料中去，材料優良的性能能夠得到最好的發揮；而且由于黏合劑的約束作用，纖維在受到外力時不會產生滑移，這樣就杜絕了材料不受力的現象，提升了材料的利用率。單向鋪層材料優越的防彈性能已在很多研究中得到證實[7-8]。一個有趣的現象是，單向鋪層材料大都由超高分子質量聚乙烯纖維構成，而平紋織物由芳綸纖維構成。普遍認為超高分子質量聚乙烯纖維具有高模量和低密度，有利于橫向波和縱向波的傳遞，單向鋪層材料結構更能體現出這種性能，但是超高分子質量聚乙烯纖維之間的摩擦因數很小，平紋織物形態的纖維在受到外力作用時易產生滑移和拉出，改變纖維的受力狀態，阻礙纖維性能的體現。Cunniff[3]指出，超高分子質量聚乙烯纖維Spectra所制成的平紋織物在穿透性彈丸沖擊實驗中比芳綸Kevlar?具有更高的能量吸收，該實驗結果表明，在某種特定的環境下，超高分子質量聚乙烯纖維的防彈性能可以織物的形式得到更好的體現。

本文將利用穿透性和非穿透性彈道沖擊實驗，對芳綸機織物、超高分子質量聚乙烯機織物和超高分子質量聚乙烯單向鋪層材料的防彈性能和破壞機制進行分析, 探討在何種條件下才能最大限度地利用超高分子質量聚乙烯材料的力學性能，為使用者提供良好的彈道防護。除此之外，將在實驗基礎上，提出一套合理的準則，優化柔性防彈服的設計方案。

1 試樣準備

本文使用的超高分子質量聚乙烯纖維的型號為Dyneema?SK75(由荷蘭DSM公司提供)；單向鋪層材料的型號為Dyneema?SB1(由荷蘭DSM公司提供)；芳綸的型號為Kevlar?129(由美國杜邦公司提供)。平紋織物是在Northrop L16多臂織機上制備而成的。為更好地對比Dyneema?和Kevlar?織物的防彈性能，二者被設計成相同的面密度。單向鋪層材料Dyneema?SB1由4層平行排列的纖維網構成，鋪層的角度為0°/90°。試樣參數見表 1。

表1 試樣參數Tab.1 Sample specifications

2 測試方法

彈道沖擊設備可進行穿透性和非穿透性測試。穿透性測試主要是在單層或者少量布層上進行，測量他們的能量吸收性能。使用的彈丸為圓柱形，底面直徑和高都為5.5 cm，質量為1 g。彈丸的入射速度在400～500 m/s之間。彈丸的射入速度和射出速度分別采用2組紅外射線進行測試。彈丸穿過每組紅外射線時, 產生2次電壓脈沖。2次電壓脈沖間的時間間隔就是穿過每組射線的時間,從而可獲得彈丸的速度。測試時，試樣被裁制成25 cm×25 cm，便于夾具夾取。實驗設備如圖 1所示。試樣的防彈性能通過計算彈丸動能損失獲得：

式中：△E為彈丸動能損失；m為彈丸質量；v1和v2分別為彈丸入射和出射速度。非穿透實驗參照美國NIJ 0101.04 《個人彈道防彈性能》實驗標準，利用較多的鋪層進行沖擊測試。材料不會被穿透，防彈性能通過被穿透試樣的層數和背部的黏土材料彈坑的深度進行表征。

圖1 彈丸沖擊實驗設備Fig.1 Ballistic impact apparatus

3 穿透性彈道實驗結果

由于入射速度不同，試樣在不同情況下受到彈丸的沖擊，因此不適合用平均能量吸收加誤差線的方式比較不同試樣的防彈性能。在此，利用入射速度和出射速度建立坐標系，不同材料防彈性能對比如圖2所示。圖2(a)示出單層試樣的測試結果。憑借趨勢線方程，選定500 m/s的入射速度來對比在此入射速度下各試樣的能量吸收。計算結果表明，試樣1的能量吸收比試樣3高5.8%。為對比平紋結構織物和單向鋪層結構的防彈性能，能量吸收需要除以面密度。實驗結果表明試樣1的能量吸收比試樣2高12.76%。通過穿透性實驗得到的數據和Cunniff[3]的實驗數據相符，即由超高分子質量聚乙烯纖維制備的機織物具有最高的能量吸收性能，而獲得廣泛認可的單向鋪層材料卻顯示出最低的能量吸收性能。

圖2 不同材料防彈性能對比Fig.2 Comparison of ballistic performance of different materials. (a) Single-layer fabrics; (b) Multi-layer fabrics

由于夾具的限制，最大可測的面密度在1 900 g/m2左右，這并不影響對3種防彈材料的性能對比。圖2(b)示出多層穿透性實驗的結果。研究發現，隨著層數的增加，單向鋪層材料逐漸體現出其優于平紋織物的的防彈性能。根據趨勢線推斷，鋪層越多，面密度越大，單向鋪層材料的防彈性能就越好。此研究結論和Lee等[9]的結論相似，唯一的不同之處是所測試樣品是Spectra?纖維增強型復合材料。對比發現：試樣1的能量吸收性能一直優于試樣2，但是觀察試樣1的趨勢線發現，隨著層數的增多，能量吸收有遞減的趨勢；而試樣2的趨勢線卻不存在這種走向。

圖2(b)所示的結果很好地解釋了為什么超高分子質量聚乙烯平紋織物不利于柔性防彈服的使用設計，但其內在原因卻值得深思，即為什么隨著層數的增加，其能量吸收性能有弱化的趨勢。Chen等[10]的研究結果表明接近子彈打擊面的材料易受到子彈的剪切作用而斷裂，遠離子彈打擊面的材料易受到子彈的拉伸作用而斷裂。由于平紋織物是通過紗線上下交織而成，約束力較弱。當受到子彈侵徹作用時，纖維易產生滑移 (見圖3(a))，從某種程度上來說可有效抵御子彈邊緣的剪切作用；而單向鋪層結構材料由于集體材料的黏合作用，纖維在受到外力作用的時候不會產生滑移，子彈易通過剪切作用使纖維斷裂，這從圖3 (b)所示外觀就能觀察到。再者，平紋織物紗線間的摩擦作用可損耗一部分能量，而單向鋪層結構材料卻沒有這種能量損耗機制。最后，夾具的握持作用很大程度上限制了紗線的抽出，使得超高分子質量聚乙烯纖維的力學性能得到了充分的利用，這也可理解為什么單層狀態下超高分子質量聚乙烯纖維織物的能量吸收比芳綸織物略高。

圖3 彈丸高速沖擊下損毀試樣Fig.3 Penetrated samples upon ballistic impact. (a) Dyneema? woven fabric; (b) Dyneema?SB1 UD fabric; (c) Kevlar?129 woven fabric

隨著層數的增多，能量吸收的機制發生改變，受到彈丸橫向拉伸作用的材料所占比例越來越大，因此材料的抗拉伸性能越好，則鋪層材料的能量吸收性能越高。對于單向鋪層材料來說，由于受到基體材料的黏合作用，纖維不存在滑移的可能。當遠離打擊面的布層受到彈丸的橫向拉伸作用時，唯一的破壞方式就是纖維層的斷裂。而機織物結構相對來說較為松散，當彈丸通過表層纖維材料對中層和底層纖維材料進行橫向拉伸時，中底層的結構會發生形變和纖維滑移，使得材料易被穿透。柔性防彈服在穿戴的情況下，邊界上沒有夾具對紗線產生握持，纖維易被拉出，這種現象更為明顯。在這種情況下，機織物結構只有靠纖維間的摩擦力對纖維的握持，來維持織物結構的穩定性。對比超高分子質量聚乙烯纖維和芳綸纖維，前者的纖維間摩擦因數為0.14[11]，遠低于后者(0.22±0.03)[12]，因此，超高分子質量聚乙烯纖維平紋織物在遠離打擊面的位置，更易因纖維滑移和拉出，而不是纖維斷裂，被彈丸穿透。

4 柔性防彈材料的優化設計

穿透性侵徹實驗發現，平紋織物具有較好的抗剪切性能，但受到子彈橫向拉伸時，纖維易產生滑移和拉出，因此可通過優化柔性防彈服的設計，來充分利用高性能纖維的防彈性能。即已得知單向鋪層材料具有較好的抗拉伸性能，通過結合單向鋪層材料和平紋織物，設計了2種結構：結構甲，平紋織物放置于表層；結構乙，單向鋪層材料放置于表層。為更好地對比2種結構的防彈性能，其面密度被設置為相似。與此同時，還對單向鋪層材料和平紋織物的混合嘗試了不同的比例，以尋求最優化的設計。詳細參數見表2。

表2 復合試樣的詳細參數Tab.2 Composite sample specifications

為更好模擬防彈材料在真實情況下的防彈性能，本文研究采用了非穿透性子彈侵徹實驗進行測試。試樣的防彈性能取決于子彈沖擊在背部泥板留下彈坑的深度。圖4示出了復合試樣的防彈性能。實驗數據表明，試樣5，即平紋織物和單向鋪層材料質量比為1∶3時的防彈效果最好，單向鋪層材料的防彈效果次之。隨著平紋織物比例的上升，防彈性能隨之下降。通過對比結構甲和結構乙發現，將平紋織物放置在接近子彈沖擊面的一側有利于提升彈道防護性能。實驗結果與之前的推論相符。

圖4 不同復合材料彈坑深度對比Fig.4 Depth of back face signature for different combinations

5 結 論

本文研究目的是探討超高分子質量聚乙烯平紋織物在柔性防彈服中的應用。穿透性子彈侵徹實驗對比結果表明，在材料層數較少的情況下，超高分子質量聚乙烯纖維平紋織物表現出最優越的能量吸收性能，超高分子質量聚乙烯纖維單向鋪層材料最差；隨著材料層數增多，單向鋪層材料能提供最好的防彈性能。原因是材料層數較少的情況下，子彈易通過剪切作用使纖維斷裂，平紋織物相對松散的結構有利于抵抗子彈的剪切作用；材料布層較多的情況下，遠離打擊面的材料會受到子彈的橫向拉升作用，而單向鋪層材料結構由于纖維被黏合劑固定住，有利于抵抗子彈的拉伸作用。關于超高分子質量聚乙烯纖維和芳綸纖維平紋織物的對比，得出的結論是當材料的結構相同時，纖維/紗線間存在的摩擦力能夠在一定程度上防止紗線受到子彈沖擊時發生滑移和拉出，有利于纖維力學性能的體現。

本文研究提出了一種防彈材料結構的優化設計，并進行了測試。實驗結果表明，機織物放置在靠近子彈沖擊的一側，單向鋪層材料放置在遠離子彈沖擊的一側，有利于防彈復合材料性能的提升。最優化的復合型防彈材料是機織物和單向鋪層材料質量比為1∶3，其防彈性能比單一單向鋪層材料構成的布層更好。盡管超高分子質量聚乙烯纖維在柔性防彈服的運用上主要是單向鋪層材料的形式，但是其平紋織物形態的利用仍然有值得挖掘的空間。利用超高分子質量聚乙烯機織物和單向鋪層材料進行柔性防彈布層的設計是一種思路，另一種思路是和芳綸機織物復合。

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Application of ultra-high molecular-weight polyethylene plain weave in soft body armour

ZHOU Yi1, CHEN Xiaogang2, ZHANG Shangyong1, GONG Xiaozhou1

(1.CollegeofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan，Hubei430200,China;2.SchoolofMaterials,UniversityofManchester,MachesterM13 9PL,UK)

In order to improve the ballistic performance of soft body armour, ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) plain woven fabrics were incorporated into the unidirectional (UD) panel, aiming to increase the energy absorption of the whole panel. Through ballistic penetration shooting tests, it was found that woven structure exhibit better shear resistance and UD structures gives better tensile resistance upon ballistic impact. According to this phenomenon, hybrid ballistic panel design guidance was developed. The results showed that placing the woven fabrics close to the impact face and UD material as the rear layers led to better ballistic performance than the panel constructed in the reverse sequence. It has also been found that the optimum ratio of woven to UD materials in the hybrid ballistic panel was 1∶3.

ultra-high-molecular-weight polyethylene plain weave； unidirectional nonwowe fabric； bullet protection； energy absorption

10.13475/j.fzxb.20150300605

2015-03-05

2015-12-01

國家自然科學基金青年基金項目(11502179)

周熠(1987—)，男，講師，博士。主要研究方向為彈道防護材料及其力學性能分析。龔小舟，通信作者，E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TB 334

A