高溫環境對防彈插板抗彈性能影響分析

聶嘉興,程時雨,李忠盛,黃安畏,郭 峰,林 禹,李 鵬,吳永鵬

(中國兵器工業第五九研究所, 重慶 400039)

0 引言

防彈插板是與防彈背心配套使用的一種剛性防彈材料,在戰場上直面彈丸沖擊,可減緩彈丸的沖擊動能,從而起到保護穿戴者的作用。防彈插板的生產能力與抗彈性能水平反映了國家的軍事實力,也是保護軍民安全的關鍵所在。目前,現役的防彈插板主要由高硬度的陶瓷材料(氧化鋁、碳化硅、碳化硼等)和低密度、高強度的纖維(超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維等)增強復合材料背板組成,陶瓷材料在彈丸侵徹防彈插板時,使彈丸磨削變鈍并破碎吸收彈丸能量,纖維增強復合材料背板通過剪切分層、拉伸變形以及纖維斷裂等吸收彈丸及陶瓷碎片的剩余動能,將彈丸嵌入在防彈插板內部從而實現防彈功能[1-4]。

目前,防彈插板性能的研究主要集中在防彈插板抗多發彈打擊性能、防彈插板結構設計與材料優化等方面,鮮有學者對防彈插板的作戰環境的影響進行分析。楊德軒等[5]著力于防彈插板的輕量化,創新性的加入了聚脲與SiO2氣凝膠為緩沖層,在保證防彈性能的同時降低了防彈插板面密度。孔曉鵬[6],程時雨[7],Medvedovski[8],Wang[9]等研究了防彈插板抗多發彈性能,認為陶瓷微觀結構、斷裂韌性以及防彈插板整體結構對抗多發彈性能影響較大。崔鳳單等[10]采用SiC和B4C陶瓷制備的防彈插板均能夠有效防御3發5.8 mm鋼芯彈,但B4C陶瓷的硬度更高,相應的防彈插板實彈靶試后凹陷值更小,抗彈性能更佳。曹鑫[11]借鑒了狗獾牙齒梯度結構及其微觀形貌,設計出一種金屬封裝拼接陶瓷結構的仿生防彈插板,經分析,采用圓柱型陶瓷時具有最好的防彈性能。Liu[12],Savio[13],Ray等[14]認為防彈插板中陶瓷的硬度與斷裂韌性對插板的沖擊碎裂過程影響較大,且高硬度的陶瓷有利于彈丸的損耗。

在實戰環境中,美軍制式的M80型子彈是我軍可能受到的威脅之一,M80彈質量9.6 g,射擊初速為848 m/s,其沖擊動能較大,同等級的防彈插板受到M80彈攻擊后往往彈擊瞬間凹陷值較大。表1[15]給出了在相同環境條件下,測試相同規格插板時(NIJ III級[16]),不同子彈的彈擊瞬間凹陷值和動能數據。較大的彈擊瞬間凹陷值(BFS)易導致人體產生內臟破損、骨折等非貫穿性損傷,故同等面密度條件下,防彈插板通常以彈擊后是否穿透以及彈擊瞬間凹陷值作為評判其優劣的重要參數。此外,士兵的作戰環境復雜且經常在高溫氣候環境下執行任務。因此,研究高溫環境對防彈插板抗彈性能的影響具有重要的意義。根據WHB 917-2015《武警特戰防彈插板制造與驗收條件》中高溫環境適應性測試溫度為55 ℃±2 ℃,選取55 ℃±2 ℃作為典型高溫環境開展系列研究,后文提及高溫均表示55 ℃±2 ℃。

采用7.62 mm×51 mm NATO M80彈分別對常溫(23 ℃±2 ℃)和高溫(55 ℃±2 ℃)下的防彈插板進行實彈射擊試驗,分析了防彈插板彈擊瞬間凹陷值與防彈插板抗彈組元材料的力學性能變化情況,初步探明了高溫環境下抗彈性能下降的主要原因,為防彈插板實戰性能優化提供了方向。

表1 不同子彈的動能

1 試驗方法

1.1 材料

參考GJB 9977—2021《碳化硅陶瓷復合防彈插板規范》進行了防彈插板結構設計,具體結構為6 mm碳化硼陶瓷板+10 mm超高分子量聚乙烯纖維層壓板(后文簡稱“UHMWPE層壓板”)+3 mm緩沖吸能泡沫,各層材料間采用聚氨酯樹脂連接并通過真空熱壓成型工藝復合制成防彈插板,防彈插板結構示意圖如圖1所示。采用同樣的材料與工藝共制備6塊防彈插板樣品,尺寸為325 mm×260 mm,樣品表面采用軍綠色防水滌綸背膠平紋布包覆,如圖2所示。

圖1 防彈插板結構示意圖

圖2 防彈插板樣品

1.2 射擊試驗

在常溫條件下,試驗樣品緊貼模塑膠泥,并按圖3、圖4所示方法予以固定,射向與靶面垂直(射角0°～5°),射距15 m。每塊樣品射擊3發M80彈,彈速不低于838 m/s,每2發彈間距不小于100 mm且距邊緣距離不小于50 mm。進行高溫環境下防彈插板性能測試時,將試驗樣品放置進入高溫試驗箱,進行高溫55 ℃±2 ℃,恒溫3 h的處理,每次從試驗箱中取出1塊試驗樣品,立即將試驗樣品緊貼模塑膠泥,拿出高溫試驗箱后10 min內完成測試。

圖3 彈道試驗裝置

圖4 固定靶架結構示意圖

1.3 彈擊瞬間凹陷值測量

實彈射擊試驗測試后,彈擊瞬間凹陷值測量參照GA141-2010《警用防彈衣》進行。首先觀察防彈插板每發彈位置是否發生穿透,若未發生穿透,則使用數顯深度尺測量每個彈著點膠泥的凹陷深度,射擊試驗后膠泥凹陷情況如圖5所示。每處凹陷位置測量3次,取3次測量的算術平均值為該發彈的彈擊瞬間凹陷值。

圖5 凹陷的膠泥

2 結果與分析

2.1 試驗結果

本次試驗的所有彈速均滿足彈速不小于838 m/s的要求,防彈插板均實現有效防御,M80彈未能穿透防彈插板,防彈插板彈擊后損傷情況如圖6所示。可以看出,防彈插板經實彈射擊后整體結構完整性較好,碳化硼陶瓷板與UHMWPE層壓板之間沒有出現明顯的分層現象。主要是防彈插板最外層軍綠色平紋布和緩沖吸能泡沫在彈擊處受到較為嚴重的破壞,UHMWPE層壓板受到彈丸沖擊向外凸起變形。因此,防彈插板可以有效降低槍彈對戰士造成致命傷害的可能性,大大提升士兵戰場生存率。

圖6 防彈插板彈擊后損傷情況

防彈插板實彈射擊試驗結果見表2與圖7。由試驗結果可知,每一塊防彈插板射擊3發M80彈,其第1、2、3發彈的彈擊瞬間凹陷值呈遞增關系,尤其是第2發相對于第1發的彈擊瞬間凹陷值明顯增加。其原因一方面是陶瓷板裂紋擴展的不確定性,前序子彈射擊后可能導致后續子彈射擊位置產生裂紋,降低了該點位陶瓷板抗彈性能;另一方面是防彈插板在經過前序彈丸沖擊后,UHMWPE層壓板與陶瓷板層間破壞面積增加,UHMWPE層壓板對陶瓷板的支撐與協同抗彈作用逐漸減弱。

表2 實彈射擊試驗結果

圖7 實彈射擊試驗結果

由圖7可知,常溫狀態下測試的防彈插板彈擊瞬間凹陷值明顯小于高溫狀態下的彈擊瞬間凹陷值,其平均彈擊瞬間凹陷值差值在2～5 mm,常溫狀態下射擊3塊防彈插板相對于高溫狀態下射擊3塊防彈插板的第1發彈擊瞬間凹陷值均值低2.1 mm,第2發均值低4.9 mm,第3發均值低5.0 mm,表明防彈插板受到高溫環境影響,其每發彈的彈擊瞬間凹陷值明顯增加,抗彈性能發生下降,在實戰中可能導致士兵受到非貫穿性損傷的程度加深。

2.2 影響因素分析

防彈插板主要由碳化硼陶瓷板、UHMWPE層壓板以及緩沖吸能泡沫組成,層間通過聚氨酯樹脂粘結。高溫環境使得防彈插板抗彈性能發生明顯下降,首先在55 ℃下對碳化硼陶瓷板的影響可以忽略,可能受到影響的主要有聚氨酯樹脂的粘接性能,UHMWPE層壓板的力學性能以及緩沖吸能泡沫。

通過試驗后防彈插板緩沖吸能泡沫狀態可以看出,常溫狀態與高溫狀態下射擊后防彈插板的緩沖吸能泡沫損傷形式與狀態基本一致,但是高溫下測試的UHMWPE層壓板變形量明顯更大,因此緩沖吸能泡沫不是影響防彈插板抗彈性能發生明顯下降的主要因素。可能的原因一是聚氨酯樹脂在高溫環境下粘接強度發生下降,導致碳化硼陶瓷板與UHMWPE層壓板層間結合強度下降而吸能不足且UHMWPE層壓板對陶瓷板協同支撐作用減弱,在第2發和第3發彈擊時層間分層現象加重。二是UHMWPE層壓板在高溫下發生軟化,在彈丸強大的能量沖擊下抵抗變形的能力發生下降,從而導致彈擊瞬間凹陷值增大。因此,分別在常溫、高溫下開展聚氨酯樹脂剝離強度試驗與UHMWPE層壓板剝離強度、彎曲強度測試,以探究防彈插板性能下降的主要原因。

2.2.1聚氨酯樹脂剝離強度

采用與制備防彈插板相同的工藝條件,利用聚氨酯樹脂將芳綸纖維平紋布與25 mm寬度的碳化硼陶瓷板樣條粘接,參照GB/T 2790-1995《膠粘劑180°剝離強度試驗方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態下進行剝離強度測試,每組5件試樣,試樣如圖8所示。測試結果見圖9。

圖8 剝離強度試樣

圖9 剝離強度試驗結果

常溫下測試的5件試樣的剝離強度平均值為68.4 N/25 mm,高溫下測試的5件試樣的剝離強度平均值為 60.2 N/25 mm,高溫下剝離強度下降了12.3%。由此可見,聚氨酯樹脂的剝離強度在高溫下會發生一定程度的降低但并不顯著,且通過高溫實彈射擊后的防彈插板可以進一步看出其結構完整性較好,層間未發生明顯分層,與常溫靶試后防彈插板基本一致,故聚氨酯樹脂不應是影響防彈插板高溫下抗彈性能的主要因素。

2.2.2UHMWPE層壓板力學性能

1) 剝離強度

UHMWPE層壓板層間結合強度過低會導致彈丸侵徹過程中易產生分層破壞而剪切分層吸能不足,從而發生子彈穿透或彈擊瞬間凹陷值增加等現象。因此,UHMWPE層壓板層間結合強度對其整體抗彈性能至關重要。采用與UHMWPE層壓板相同的原材料和工藝,制備10 mm厚度的平板樣件,參照GB/T 2790—1995《膠粘劑180°剝離強度試驗方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態下進行5件UHMWPE層壓板試樣表面層間剝離強度測試,剝離表面厚度為0.2～0.5 mm,測試結果見圖10。

常溫下測試的5件UHMWPE層壓板試樣的剝離強度平均值為42.7 N/25 mm,高溫下測試的5件UHMWPE層壓板試樣的剝離強度平均值為42.4 N/25 mm,高溫環境對UHMWPE層壓板表面層間剝離強度的影響甚微。

圖10 剝離強度測試結果

2) 彎曲強度

采用與UHMWPE層壓板相同的原材料和工藝,制備10 mm 厚度的平板樣件,參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態下進行5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強度測試,測試結果見圖11。

圖11 彎曲強度測試結果

常溫下測試的5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強度平均值為64.3 MPa,高溫下測試的5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強度平均值為42.9 MPa,高溫下彎曲強度下降了33.2%,發生了明顯下降。彎曲強度下降表明高溫下UHMWPE層壓板抵抗變形能力發生明顯減弱,因此,彎曲強度下降應是導致防彈插板彈擊瞬間凹陷值增大的主要原因。因此,在保障防彈插板能夠有效防御彈丸侵徹不發生穿透的情況下,提升UHMWPE層壓板彎曲強度或減小高溫下性能下降比率,能夠有效降低防彈插板彈擊瞬間凹陷值,提升防彈插板的整體抗彈性能。

3) 重復性受熱影響

上述試驗表明,UHMWPE層壓板在高溫環境下彎曲強度會發生明顯下降,導致防彈插板抗彈性能降低。但是在實際使用過程中可能會經受重復性的高溫受熱,因此開展UHMWPE層壓板多周期受熱后彎曲強度變化試驗,以研究UHMWPE層壓板經歷多次高溫環境是否對其常溫彎曲性能產生影響。UHMWPE層壓板經受“高溫55 ℃,3 h,常溫25 ℃,1 h”為1周期,分別經歷1、3、5、7、9周期試驗處理后,常溫下UHMWPE層壓板彎曲強度測試結果見圖12。經歷1、3、5、7、9周期試驗處理后彎曲強度分別為62.1、61.2、64.5、62.9、62.6 MPa,可見彎曲強度沒有發生明顯變化。因此,55 ℃高溫環境下重復性受熱對UHMWPE層壓板彎曲性能影響較小。

圖12 重復性受熱對彎曲強度的影響

3 結論

通過對常溫、高溫環境下的防彈插板進行實彈射擊試驗,分析了高溫環境對防彈插板的抗彈性能的影響,同時,開展了聚氨酯樹脂剝離強度測試、UHMWPE層壓板力學性能測試,初步探明了高溫環境下導致抗彈性能下降的主要原因。得出主要結論如下:

1) 高溫環境下防彈插板的抵抗彈擊瞬間變形的能力明顯下降,相對于常溫下防彈插板,每發彈的彈擊瞬間凹陷值增加了2～5 mm。

2) 高溫環境下導致抗彈性能下降的主要原因是UHMWPE層壓板在高溫下發生軟化,彎曲強度下降33.2%,在彈丸沖擊下抵抗變形的能力發生減弱,從而導致彈擊瞬間凹陷值增大;但是55 ℃高溫環境下重復性受熱不會對UHMWPE層壓板常溫環境下的彎曲性能產生明顯影響。