復(fù)合材料防彈頭盔的研究進(jìn)展

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意外事件。1914年,德軍向法軍發(fā)動炮擊時,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,法國的亞德里安將軍受此啟發(fā),下令設(shè)計了一款能保護(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。美國陸軍對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,迫于可能到來的戰(zhàn)爭壓力,美軍對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,美國陸軍開始了一項利用更輕質(zhì)、強度更高的防護(hù)配置來取代M1鋼盔的計劃[2]315。經(jīng)過大量的研究,加之高性能纖維Kevlar(對位芳綸)的問世,研發(fā)人員于20世紀(jì)80年代開發(fā)出地面部隊人員裝甲系統(tǒng)(personnel armor system for ground troops,PASGT)頭盔,并大量列裝軍隊。

圖1 美軍防彈頭盔的發(fā)展歷程

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展與升級,對防彈頭盔防護(hù)性能、質(zhì)量控制的要求越來越高,PASGT頭盔也逐漸無法適應(yīng)新的需求。基于此,美國陸軍于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,自身質(zhì)量減小了7.3%[3]。2007年,迫于阿富汗戰(zhàn)爭的壓力,美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊開始以超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)為增強體研制增強戰(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。

我國于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)計非常重要。對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)研究主要分為兩個方向:一是開發(fā)新的高性能材料;二是探究防彈頭盔生產(chǎn)過程中纖維、樹脂原料及生產(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。

2 防彈機制

鋼盔是依靠鋼材本身的硬度來抵抗沖擊的,而鋼材本身的質(zhì)量較大,以鋼材制成的防彈頭盔較笨重,對佩戴者頭部和頸部的負(fù)擔(dān)極大。而防彈用纖維增強樹脂基復(fù)合材料的防彈機制則完全不同,從本質(zhì)上而言,其是將高速彈丸的沖擊動能轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料的勢能并吸收或耗散掉。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:纖維增強體斷裂、樹脂基體碎裂及界面分層[4]。高速子彈沖擊材料時,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)緯紗交織點處)時,部分沖擊能量會反射,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

無緯(uni-directional,UD)織物是一種僅在單個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,因而縱波能夠傳播得更遠(yuǎn),并且也不會原路反射,因此UD織物的防彈性能普遍優(yōu)于存在交織點的機織物。三維織物因其結(jié)構(gòu)上的特點,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

除增強體結(jié)構(gòu),增強纖維本身的性能對復(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)合材料的增強纖維常選用對位芳綸與UHMWPE纖維等高性能纖維。

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

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,界面的存在使得增強纖維與樹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)強度需適中。黏結(jié)強度過低易導(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)強度過高雖能抑制復(fù)合材料的分層,但會導(dǎo)致纖維的高強高模特性無法有效發(fā)揮,同時會使復(fù)合材料對彈丸的包角受限[10],致使復(fù)合材料的防彈性能下降。

3 防彈頭盔用增強纖維

3.1 芳綸

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

對位芳綸最早被美國陸軍應(yīng)用于防彈領(lǐng)域,他們采用對位芳綸作為增強纖維開發(fā)復(fù)合材料,用以代替金屬材料制備防彈頭盔。實踐證明,得益于對位芳綸本身的超高強度、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,同時實現(xiàn)了防彈頭盔的輕量化。目前,世界各國應(yīng)用最多的仍是由對位芳綸制成的防彈頭盔。但對位芳綸也存在一定的缺陷,例如,在紫外光照射下,對位芳綸的大分子鏈會斷裂,導(dǎo)致防護(hù)性能大幅下降[12]。目前,對位芳綸工業(yè)化的產(chǎn)品主要有美國杜邦公司的Kevlar,日本帝人公司的Twaron,韓國科隆公司的Heracron,中國煙臺泰和新材料股份有限公司的Taparon。

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

3.2 UHMWPE纖維

UHMWPE纖維問世于20世紀(jì)70年代,它的拉伸強度在所有產(chǎn)業(yè)化的高性能纖維中是最高的,強度超過芳綸,密度小于芳綸[14]。21世紀(jì)初,美國陸軍為更進(jìn)一步減小防彈頭盔的質(zhì)量,開始使用UHMWPE纖維研究開發(fā)防彈頭盔。UHMWPE纖維由于纖維分子間沒有較大的作用力,且表面無活性基團(tuán),用作復(fù)合材料增強體時難以與基體形成良好的黏合界面[15],故多數(shù)時候?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UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性,改善其與樹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:電處理法可以實現(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。針對這一情況,王爽芳等[18]通過提高相對分子質(zhì)量和改變牽伸工藝來提高UHMWPE纖維的拉伸模量,減少其產(chǎn)品出現(xiàn)背凹問題。

3.3 聚對苯撐苯并二唑(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年代美國為發(fā)展航天航空事業(yè)而開發(fā)的復(fù)合材料用增強材料。Jonas 等[19]對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)合材料的增強纖維也存在一些問題,如不耐紫外線,抗壓縮性能差,與樹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。可以看出,兩者的分子結(jié)構(gòu)相似,但PIPD纖維獨有的三維氫鍵網(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)

幾種常見高性能纖維的主要性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 幾種常見高性能纖維的主要性能參數(shù)對比

3.4 混雜纖維體系

隨著時代的發(fā)展變化,人們對防彈頭盔的防彈性能要求越來越高,單一的纖維增強復(fù)合材料已逐漸不能滿足產(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。結(jié)果表明:以含雜環(huán)芳綸的復(fù)合材料為迎彈面時,彈道極限速度V50(指子彈侵徹測試材料貫穿概率為50%時的子彈入射速度,它量化了材料的防彈性能,是評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)行防彈性能測試,結(jié)果顯示:以UHMWPE復(fù)合材料作為迎彈面、對位芳綸復(fù)合材料作為背彈面時,彈道防護(hù)性能最佳時UHMWPE復(fù)合材料與對位芳綸復(fù)合材料的質(zhì)量比為50∶50;以對位芳綸復(fù)合材料作為迎彈面、UHMWPE復(fù)合材料作為背彈面時,彈道防護(hù)性能最佳時UHMWPE復(fù)合材料與對位芳綸復(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程導(dǎo)致的強度損失。由于UD織物中紗線無彎曲且無交織點,故高性能纖維的特性能夠更好地發(fā)揮,纖維也會因樹脂的固定而不會發(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織物增強纖維主要有UHMWPE纖維和芳綸。UD織物的成型設(shè)備主要有無緯復(fù)合機和輥筒式無緯布機。制備UD織物的樹脂需滿足下述要求:具有較好的浸潤性;成型后的樹脂應(yīng)具有一定的韌性,不易斷裂、收縮;滿足彈道防護(hù)需求。常見的滿足上述要求的樹脂主要有聚氨酯類、橡膠類和不飽和聚酯類樹脂[28]。近年來,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,需對水性聚氨酯進(jìn)行改性,提高其對芳綸的黏合效果。

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,因為平紋組織的經(jīng)緯向構(gòu)造平衡、穩(wěn)定,應(yīng)力分散效果相對較好。但織造過程中,經(jīng)紗纖維損傷大,導(dǎo)致紗線的性能受影響,最終成品復(fù)合材料的防護(hù)性能降低。同時由于該結(jié)構(gòu)中交織點多,應(yīng)力波反射疊加次數(shù)多,易導(dǎo)致應(yīng)力過大而造成纖維斷裂[6]7。二維織物預(yù)制件也可采用方平組織,相較于平紋,方平組織的紗線交織點數(shù)量較少,有利于應(yīng)力的傳播。目前,在纖維增強復(fù)合材料領(lǐng)域,應(yīng)用最多的仍是二維織物,因為該結(jié)構(gòu)的織物織造工藝簡單,且有關(guān)這類織物制備的復(fù)合材料各項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,結(jié)構(gòu)上的特點導(dǎo)致織物整體緊實,將其鋪設(shè)于曲面模具上時,紗線難以滑移,從而易褶皺,無法很好地貼伏在曲面模具上,需要對其進(jìn)行裁剪,而裁剪會導(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。這樣做帶來的問題有:材料浪費嚴(yán)重,制備效率低且成本較高,同時拼接處的力學(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題,其在復(fù)雜曲面成型過程中可以實現(xiàn)無裁剪、無拼接、無褶皺,從而確保了復(fù)合材料的連續(xù)性和完整性[29]。Banduar等[8]12制備了二維機織裝甲與三維增強裝甲并對其進(jìn)行彈道測試與數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明,三維增強裝甲的彈道極限速度V50大于二維機織裝甲,其原因在于三維增強組織中的捆綁紗(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,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,因此材料中的樹脂含量較低,通常為14%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[30]。樹脂含量過低會使復(fù)合材料的層間黏合強度低、纖維松散,受彈丸高速沖擊時,纖維易滑移,無法有效吸收能量[31];樹脂含量過高,則其對纖維的約束過大,纖維難以發(fā)揮作用,同時復(fù)合材料的密度也會增大,樹脂受沖擊時易發(fā)生內(nèi)聚破壞。防彈復(fù)合材料中,樹脂基體有3個主要作用:一是為纖維材料提供剛度,使其保持固定的形狀,減少沖擊帶來的變形;二是固定纖維,防止纖維受沖擊后滑移,影響防護(hù)效果;三是樹脂本身的斷裂破壞也能吸收彈丸產(chǎn)生的沖擊能量。樹脂基體分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。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)生背凹而對人體頭部造成傷害。

熱固性樹脂剛度較高,是目前最常用的防彈復(fù)合材料樹脂基體。以熱固性樹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,但熱固性樹脂防彈性能一般。熱塑性樹脂則相反,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,制成頭盔可能會出現(xiàn)變形過大,導(dǎo)致頭部受到傷害。Nayak等[33]制備了對位芳綸/環(huán)氧樹脂(Twaron/EP)熱固性復(fù)合材料與對位芳綸/聚丙烯(Twaron/PP)熱塑性復(fù)合材料并對其進(jìn)行彈道測試對比。研究結(jié)果表明,熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有更好的防彈性能,而熱固性樹脂基復(fù)合材料的抗彎能力強,剛度高。目前也出現(xiàn)了改性增韌熱固性樹脂的相關(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)過多年相關(guān)研究探索,已有學(xué)者通過在熱固性樹脂中添加橡膠類彈性體、剛性粒子、熱塑性樹脂等材料的方法,實現(xiàn)了熱固性樹脂的增韌改性[34-35]。周慶等[36]通過添加剛性粒子對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性,實現(xiàn)板材彈道防護(hù)性能的提升。

前述內(nèi)容主要針對對位芳綸增強復(fù)合材料的樹脂基體,對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)合的樹脂多為聚氨酯、聚烯烴、聚乙烯等熱塑性樹脂,制成的防彈頭盔存在剛度不足的問題,后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注該問題。

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,需要綜合考慮織物結(jié)構(gòu)及纖維和樹脂的特性。

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)下利用樹脂的流動性抽取樹脂,使樹脂浸漬纖維增強體,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)合的方法無需裁剪且制得的頭盔無褶皺,進(jìn)一步的測試結(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

模壓成型機制為將預(yù)制件和樹脂放入模具中,通過設(shè)備對原料進(jìn)行加壓升溫,利用樹脂在受熱受壓狀態(tài)下的流動性使其充分浸潤預(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。該工藝中,壓力、溫度和時間等參數(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間主要影響壓制件的熔融程度和浸潤性。徐英凱等[41]在確定模壓溫度與模壓時間后,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)合材料的浸潤性與界面黏合強度增加,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)

由于世界各國的政策不同,防彈類防護(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)是美國司法協(xié)會對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、ⅡA級、Ⅱ級和ⅢA級[43]。

我國與美國在防彈頭盔的防彈標(biāo)準(zhǔn)及防彈測試標(biāo)準(zhǔn)方面均存在一定的差異。我國現(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級和公安2級兩個等級。防彈頭盔防彈測試標(biāo)準(zhǔn)中,我國要求對各等級的頭盔均射擊5次,比美國的NIJ 0 106.01標(biāo)準(zhǔn)多1次;同時,我國的防彈等級標(biāo)準(zhǔn)中,對不同材質(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凹陷變形,若BFS過大,即便彈丸未擊穿防護(hù)材料,也會對佩戴者的身體造成傷害。美國標(biāo)準(zhǔn)對BFS的要求是16～25 mm(不同部位要求不同),而我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定BFS需控制在25 mm以內(nèi)。

8 防彈頭盔未來發(fā)展趨勢展望

長期以來,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,現(xiàn)代戰(zhàn)爭高度信息化,對防彈頭盔的戰(zhàn)術(shù)要求越來越高,功能集成化和智能化必將是其未來的主要發(fā)展趨勢,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。為實現(xiàn)這個目標(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)、樹脂基體搭配及復(fù)合工藝等。與此同時,新型高性能材料的研究開發(fā)及新型組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計也十分必要。