新型防彈復合材料

郝琛韜

(西安工程大學,陜西 西安 710048)

1 新型復合陶瓷防彈板

對陶瓷裝甲的研究,是防彈復合材料發展應用的重要內容。陶瓷裝甲的彈道防護效果比普通的裝甲鋼更為優越。當前對被動式裝甲和反應式裝甲的研究和應用最為廣泛。在防彈機理上,反應式裝甲中裝甲材料受到子彈激勵后會產生動能,動能反作用于子彈,而被動式裝甲通過自身的特性抵御子彈的沖擊。如今,美國、俄羅斯等國家已經使用陶瓷和復合材料研究出重量效率更好的裝甲系統,并研制出陶瓷面板裝甲,而且已普遍應用[1-5]。

1.1 防彈機理

當子彈高速撞擊復合陶瓷防彈板時,利用作用力與反作用力的原理,使其高速進入防彈板后在內部又以相反的力高速反彈出去,在表面就形成一個近似圓形的彈孔,從而實現了只破壞防彈板表面的目的,而對整體復合防彈板沒有致命損傷,從而實現防彈[6]。

1.2 新型復合陶瓷防彈板性能參數

陶瓷材料的主要特性見表1[7]。

表1 陶瓷材料特性

陶瓷材料具有高比剛度、高比強度和在許多環境下的化學惰性,同時其相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強度使其應用更加廣泛。高純度鋁的密度較高,硬度和斷裂韌性較低,所以其抗彈性能較低;碳化硅陶瓷的結構使其具有高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熱導率等性能;二硼化鈦的彈性模量較高;碳化硼具有較高的熔點,硬度和力學性能比較優異,其密度在幾種常用陶瓷材料中最低,加上彈性模量較高,使其成為軍事裝甲和空間領域材料方面的良好選擇。

復合材料的主要特性見表2[8-10]。

表2 復合材料特性

防彈復合材料除了具有一定的模量外,還要有較好的延伸率、斷裂韌性、高比強度并且能在應變率下保持好的性能。E 玻璃的拉伸強度高但韌性較差,而凱夫拉材料密度低、強度高、韌性好、耐高溫、易于加工和成型。硼具有低密度、高比強度與較高彈性模量的特點。

1.3 新型復合陶瓷防彈板材料特點

新型復合陶瓷防彈板具有傳統防彈板不可比擬的優點,具體對比見表3。

表3 新型復合防彈陶瓷板與傳統防彈材料對比

(1)可承受多發彈打擊性能。該材料在同一面上可以同時承受多發彈連續沖擊,而不會出現整體破碎的情況,只會在表面形成一個個近似圓形的彈孔,而不影響材料其他部位的防彈效果。

(2)具有良好的結構可設計性。復合陶瓷板可以產生相應角度的彎曲變形,變形后可恢復到原來的形狀,可以設計成平面、曲面和斜面等多種形狀的復合陶瓷防彈材料。

(3)可修復重復使用。當遭受彈擊后,表面的圓形彈孔可以用陶瓷防彈體填入,使用防彈膠液重新復合成形,就可以重新達到初始材料的性能[7]。

(4)使用可靠性高。該材料綜合使用高性能陶瓷板、UH WMPE板及TC4板的防彈特性,使得防彈性能優于單體材料,能有效阻擊各種規格手槍及相關中小型口徑穿燃彈。

(5)技術成熟度高,具有很強的可設計性。該材料已經具備了相當成熟的生產工藝,能夠根據實際需要,進行個性化需求設計,以滿足不同的防彈需要。

1.4 當前防彈復合材料存在的問題

由于防彈復合材料是由多種材料復合而成的,因此,復合材料的不均勻性、各向異性、本構關系復雜、破壞機理復雜和強度準則復雜等,是復合材料及其結構的主要力學特點,從而增加了復合材料及其結構、防護機理的分析、計算、測試和設計的復雜性難度,截至目前,防彈復合材料仍存在以下問題[11]。

(1)吸收能量不夠。防彈材料在使用時未吸收的能量會使人員財產造成損失,武器的破壞殺傷力也隨著武器的升級而越來越大,所以今后的研究應用要著重在這方面提高材料的防彈性能和安全性。

(2)重量不夠輕。防彈復合材料的重量是能否推廣使用的一個重要因素,所以應在保證良好的防彈性的前提下,盡可能地減輕防彈復合材料的重量。

(3)強化和增韌矛盾。特別對防彈陶瓷復合材料,這一矛盾也往往難以克服。在防彈復合材料中加入某些增韌材料可能會降低材料的強度,但是若增加材料的強度,則有可能降低材料的韌度,所以要經過多次試驗尋找防彈材料最合適的強度和韌度[12]。

(4)關于復合材料的相容性方面,包括物理、化學、力學等材料特點,使復合材料能融合各個特點起到更好的防護作用。

此外,還有界面和價格等方面的問題,也沒有得到完全徹底的解決。

2 芳綸防彈復合材料

2.1 防彈機理

纖維防彈材料在受到沖擊能量時,會使其發生拉伸與形變,纖維吸收的能量會變成其形變所需的功,其拉伸形變斷裂所需的功為斷裂能,也稱為斷裂功,纖維的斷裂能與參與拉伸形變斷裂的纖維數量有關。衡量纖維防彈性能的參數是纖維的能量吸收率(單位質量纖維的斷裂能)[13]。

纖維防彈材料在受到外來沖擊時,沖擊產生的縱向應力會在纖維材料中迅速向四面八方傳播,形成“沖擊波”(即聲波)。纖維防彈材料中的聲速會影響能量瞬時擴散,也就決定了參與能量吸收的纖維量,進而影響材料的防彈效果。所以纖維中的聲速是影響纖維防彈性能的另一個重要參數[14]。

防彈材料中纖維的形態有挺直和彎曲,如果材料纖維的形態是挺直的,那么能量會無反射沿纖維軸向傳播,能量會因此快速擴散較遠;如果纖維形態是彎曲的,或者纖維中有斷頭,那么在纖維中的彎曲點或斷點會反射部分能量,減小瞬時擴散范圍,材料的防彈效果也會隨之降低。由此可見纖維二維二向布的防彈效果會因此優于平紋布[15]。

能量的傳遞往往伴隨著同一層面內或層面之間纖維之間的接觸。而在沖擊能量的傳遞過程中,能量反射發生在所有材料的界面內,情況多樣復雜。故沖擊能量最有效的傳播途徑是沿纖維軸向的擴散[16]。

2.2 影響芳綸防彈復合材料性能的主要因素

防彈復合材料的性能主要受基體材料的模量及含量、纖維材料的性能、纖維的編織方式和工藝的影響。

2.2.1 基體樹脂模量對復合材料彈道性能的影響

因為低模量基體樹脂的阻尼性能好,有利于能量吸收,因此低模量基體樹脂制造的層合板比高模量基體樹脂的防彈效果要好[17]。

2.2.2 基體樹脂含量對復合材料彈道性能的影響

基體樹脂含量對復合材料彈道性能有十分重要的影響,復合材料中纖維體積含量的提高會使其彈道性能提高,但如果纖維體積含量過高會使彈道性能下降。因為在復合材料中基體樹脂能夠在結構單元中傳遞應力,但如果纖維體積含量過高會使復合材料中的基體含量過少,導致樹脂與纖維和纖維與纖維之間的黏接性能降低,從而影響層壓板的整體性,復合材料抗彈性能也會因此下降。纖維體積含量是指該織物中纖維的體積占織物整個體積的百分率,可折算成面密度。面密度是衡量防彈板實際適用性的重要因素,若能滿足防護要求,設計應用時面密度應盡量小些,使成本和重量大大降低。

2.2.3 層壓板面密度對層壓板彈道性能的影響

在彈丸侵徹層壓板時會有滑裂纖維的趨勢,部分纖維會起不到減少彈丸侵徹的作用。若面密度提高,層壓板的吸收能會因此變大,說明其防彈性能隨面密度的提高而增強,無緯布層壓板的彈道性能優于平紋織物層壓板[18]。

2.2.4 纖維織物結構對層壓板彈道性能的影響

二維二向布與緞紋和平紋織物相比,因為其加工程度最低,損失的纖維強度最小,織物纖維會以直線平行排列,強度保留值最大。由于纖維間沒有直接的重疊點,收縮率基本為零,有效降低了應變波的反射,避免了彈丸撞擊時局部點的應力集中,因此二維二向布的破裂吸收能較高[19]。由于二維二向布的織物結構較松散,有利于能量的吸收,使其防彈性能最佳。

2.2.5 織物層數對層壓板彈道性能的影響

低面密度織物的防彈性能更加優秀。復合材料的防彈性能由材料中纖維所用的編織線、織物組織、各層的層數和纖維排列方式決定。給定重量下編織物越薄、越緊密及層數越多材料防彈性能越好,防彈材料在面密度一定時,應考慮采用織物層數多、單面密度較小的織物。同時,提高纖維自身性能也會提高材料的防彈性能[20]。

3 應用和發展趨勢

先進的防彈復合材料具有高比強度、比模量、設計性和通用性,在許多軍事應用中不可或缺,它們是設計的基礎因素,也是個人防護和先進武器軍備的關鍵技術。因此,對于一個單位而言,如果能進入到該研究應用領域,成為某一類產品的合格供應商,無論從社會效益和經濟效益方面考量,都具有十分重大的戰略意義。復合材料具有良好的性能,因為它結合了增強材料和基體各自的優點,也是發展最快、最有前途的防彈材料。防彈材料逐漸向多元化和復合化發展,出現了各種具有高硬度和高韌性的新型防彈材料,來應對更加復雜的防護問題。隨著裝甲系統輕量化、高效化的發展需求,防彈陶瓷與纖維增強防彈復合材料的優越性愈加凸顯,新型復合陶瓷防彈板具有傳統防彈板不可比擬的優點,但存在的問題不容忽視,因此著力于解決防彈復合材料存在的問題,不斷優化材料性能是當前的研究重點。