UHMWPE無緯布軟質防彈層的抗破片侵徹試驗

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）07-0039-09

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代高性能纖維，兼具模量高、強度高、吸能特性優良等特性。其密度較傳統的芳綸纖維輕約 20% ，較碳纖維增強復合材料輕約 30%^[2] 。UHMWPE纖維的分子鏈具有極高的線性度，且在紡絲過程中通過高度取向和結晶化處理[3]，進一步增強了其力學性能。這些特性使其在輕量化防護材料領域（如防彈衣）具有重要應用潛力[4]。因此，開展UHMWPE無緯布軟質防彈層抗破片侵徹試驗研究，對優化防彈衣設計[5]，提高其防護性能具有重要意義。

目前，主要通過彈道極限、能量吸收和靶片損傷模式等幾個方面來研究UHMWPE無緯布軟質防彈層的防護性能。呂騰輝等指出UHMWPE纖維主要通過纖維的拉伸、延展和斷裂產生的彈性勢能耗能。張宏偉等[7]為了獲得高性能纖維疊層防護材料的抗破片沖擊性能，設計并開展了彈道極限V50試驗，結果發現UHMWPE纖維無緯布在破片沖擊過程中表現出較好的抗拉伸性能。Xie等[8]研究了3種不同頭部形狀的（平頭、尖頭和球形）彈丸沖擊下，3種紡織結構的彈道性能，通過對彈道極限、失效模式和能量耗散的分析，3種紡織結構在平頭彈丸的沖擊下表現出最低的彈道損傷。然而，現有研究多集中于整體損傷機理分析，對彈孔損傷形貌、損傷面積及穿透層數的精細化研究仍顯不足。

本文在前人研究的基礎上，進一步細化UHMWPE無緯布軟質防彈層的損傷機理研究，特別是針對彈孔損傷形貌、損傷面積以及穿透層數進行詳細分析。通過設計 1.1g 柱狀模擬破片彈道侵徹試驗和彈道極限V50試驗，深入探討破片在軟質防彈層厚度方向上產生的損傷形貌和破壞特征；計算單層無緯布彈孔損傷面積，探求破片沖擊速度和著靶形態與彈孔損傷面積的關系；系統研究破片形態（平頭/楔頭）和面密度對軟質防彈層抗彈吸能的影響，為進一步深入研究軟質防彈層抗彈吸能機制提供參考。

1 UHMWPE無緯布軟質防彈層制備及試驗方案

1. 1 材料制備

試驗采用單層UHMWPE無緯布（江蘇萊特絲新材料科技有限公司），由單向平行排列的纖維經水性聚氨酯（含量 9% ）粘結后 0^°/90^° 正交復合層壓制成，結構如圖1所示。單層面密度為 0.11kg/m² ，單束纖維強度為 2.95GPa 。

圖1無緯布正交鋪層結構

1. 2 軟質防彈層樣品的制備

將多層無緯布以 0^° 疊合角度固定，制備不同面密度的樣品（見表1），分別用于破片彈道侵徹試驗和彈道極限V50試驗。

表1UHMWPE無緯布軟質防彈層樣品參數

Tab.1Parameters of the soft bulletproof layer sample madeofunidirectionalUHMWPEfabric

1.3 彈道試驗系統

破片彈道侵徹試驗和彈道極限V50試驗均基于彈道試驗系統（見圖2）完成，彈道試驗系統主要由彈道槍、光幕靶、計時儀、靶片等構成。使用彈性綁帶將UHMWPE無緯布軟質防彈層固定在膠泥背襯材料上，膠泥背襯材料符合標準GJB4300A—2012《軍用防彈衣安全性能技術要求》中A.2.3的規定。

Fig.1Orthogonal layup structure of unidirectional fabric

圖2彈道試驗系統構成示意圖

Fig.2Schematic diagram of the ballistic test system

本文參照標準GJB4300A—2012《軍用防彈衣安全性能技術要求》開展破片彈道侵徹和彈道極限V50試驗， 1.1g 柱狀模擬破片（45#鋼，尺寸見圖3）以平頭/楔頭形態（見圖3）侵徹軟質防彈層靶片。

1.3.1 破片彈道侵徹試驗方案

對樣品K10-1-0開展破片彈道侵徹試驗，確保破片速度不會穿透軟質防彈層的情況下，控制破片速度在 550～650m/s 范圍內侵徹軟質防彈層，相近的速度分別采用破片平頭形態著靶和楔頭形態著靶，觀察彈孔損傷形貌特征并計算彈孔損傷面積。

1.3.2 彈道極限V50試驗方案

對樣品 K10-1-1-K10-1-6 開展彈道極限V50試驗，在滿足最高速度和最低速度差不超過 38m/s 的條件下，使用三對有效阻斷速度和有效穿孔速度來評價被測樣品的彈道極限 V50^[9] （204號由測得的彈道極限 V₅₀ 值，結合式（1）式（2）得到彈道極限吸能 E_a 和極限比吸能 SEA 。

式中： E_a 為極限吸能， J;m 為破片的質量， g;V₅₀ 為破片對靶片形成穿透概率為 50% 的著靶速度， m/s 。

SEA=E_a/A_d

式中： SEA 為極限比吸能， J?m²/kg;A_d 為軟質防彈 層的面密度， kg/m² 。

圖3破片尺寸、著靶示意圖

彈道極限吸能 E_a 表示軟質防彈層被貫穿概率為 50% 時吸收的能量[10]。極限比吸能SEA表示單位面密度的軟質防彈材料吸收的能量[11] 。

1.4 彈孔損傷形貌與面積分析

采用影像測量儀捕捉彈孔形貌（30倍/92倍放大），并通過ImageJ軟件（見圖4）量化損傷面積，結合閾值分割與比例尺校準確保精度。

2 結果與分析

2.1 防彈層彈孔損傷形貌特征分析

破片侵徹軟質防彈層（編號：K10-1-0）后，均未被穿透，觀察單層無緯布的彈孔損傷形貌特征，計算彈孔損傷面積

Fig.3Schematic diagram of fragment size and targeting

圖4彈孔損傷面積計算方法

2.1.1 破片平頭著靶時厚度方向上彈孔損傷形貌分析

破片以 622.3m/s 的速度平頭形態著靶，穿透層數為31層，分析該彈孔在厚度方向上的損傷形貌特征。選取具有相似特征的單層無緯布損傷形貌圖進行分析，如圖5所示，其中右下角數字代表單層無緯布在軟質防彈層中所處的層數。

Fig.4Method of calculating the bullet hole damage area

圖5 彈孔損傷形貌圖

Fig.5Bullet hole damage morphology

破片侵徹軟質防彈層是個復雜的過程，當破片開始侵徹軟質防彈層時，1—4層（見圖5）在破片的高速沖擊下，破片與纖維的作用時間很短，沖擊能量來不及傳遞到離彈孔周圍較遠的纖維，就使得彈孔邊緣的纖維產生斷裂，此時的單層纖維的彈著面主要受到剪切作用，形成較為規整圓形彈孔并伴隨顆粒脫落（見圖6，快速消耗破片動能

Fig.6Enlarged view of particle morphology

隨著破片侵徹的繼續深人，破片速度不斷降低，在穿透10—13層（見圖5）過程中單層UHMWPE纖維無緯布對破片產生的阻力更大，由于UHMWPE纖維的斷裂伸長率高，比強度高，纖維開始產生一定程度的拉伸變形，并且彈孔周圍的纖維發生了明顯的脫粘現象。彈孔的剪切斷裂現象減少，取而代之的是纖維的拉伸斷裂，由彈孔邊緣放大圖可以看出彈孔周圍邊緣出現毛刺纖維，這是纖維經歷短暫迅速拉伸變形后產生的現象，此時拉伸斷裂主導能量吸收。同時，破片對彈孔周圍的纖維的擠壓現象更加明顯[12]，如圖7所示。

經歷過以上階段，破片以更低的速度繼續進入下一層，在22—25層（見圖5）時破片的能量能夠對纖維產生破壞的難度進一步加大，纖維發生斷裂失效所需要的時間更長。此時破片在楔入軟質防彈層的過程中會因為受力不均勻發生一定程度的偏轉，穿透無緯布時，對纖維產生的拉伸作用愈發明顯，纖維出現一定程度的拉拔現象。且因為破片速度的降低，與纖維之間的摩擦阻力幾乎消失，纖維出現原纖化，可以看到被拉出的單根紗線，如圖8所示。

圖7倒刺、脫粘形貌放大圖

圖6顆粒形貌放大圖

圖8纖維拉拔、原纖化形貌放大圖

Fig.8Enlarged view of fiber drawing and fibrillation morphology

破片到達最后幾層時（28—31層），其速度已經降低到無法使足夠的紗線拉出以穿透單層無緯布，只能看到輕微的凹陷和變形，直至破片的能量耗盡，停止對軟質防彈層的侵徹。

2.1.2 破片平頭著靶和楔頭著靶彈孔損傷形貌特征分析

選取破片以 622.3m/s 的速度平頭形態著靶時和以 621.6m/s 的速度楔買形態著靶時兩發彈孔分析破片不同形態著靶時彈孔損傷形貌特征。

破片平頭和楔頭著靶時中間面層彈孔形貌的對比圖如圖9所示，從圖中可以看出每一層無緯布的迎彈面和背面均同時產生纖維的擠壓變形吸能和斷裂吸能，破片以楔頭形態著靶時，無緯布的迎彈面的纖維的擠壓變形程度遠超于以平頭形態著靶時的擠壓變形程度，說明在楔頭破片的沖擊下，無緯布的失效形式更易于偏向擠壓變形，使破片更易突破單層無緯布的阻擋，繼續侵徹下一層。而破片以平頭形態著靶時，由于破片有效沖擊面積增大8，這種情況下破片很難擠開纖維，纖維的失效形式主要為拉伸斷裂，破片的動能轉化量高，在侵徹后期容易產生沖塞，不易穿透單層無緯布。

Fig.7Enlarged view of barbed and debonding morphology

圖9中間面層平頭-楔頭著靶對比圖

Fig.9Comparison ofbullet hole morphologies inthe mid-layer when fragmentflat headand wedge head hitthe target

破片平頭和楔頭著靶時背部面層彈孔形貌的對比圖如圖10所示，當破片來到穿透的最后幾層時，可以看出楔頭破片因尖端擠壓效應穿透層數更多，而平頭破片擠壓效應有限，一旦失去了使纖維斷裂的能量，很快就停止穿透。

圖10 背部面層平頭-楔頭對比

Fig.10Comparison of bulet hole morphologies on the backside when fragment flat headand wedge head hit the target

2.2 彈孔損傷面積分析

破片對單層無緯布的破壞面積可以反映出破片對纖維的破壞程度。圖11為2.1.2節中兩發彈速相近，破片著靶形態不同情況下單層無緯布損傷面積變化趨勢。由圖11可知，在破片侵徹的前中期，破片平頭著靶時單層無緯布的損傷面積比楔頭著靶時大，楔頭著靶時穿透層數更多。

統計相近速度下破片兩種形態的穿透層數并計算彈孔損傷總面積，如圖12所示。由圖12（a）可知，破片楔頭著靶時穿透的層數比平頭著靶時更多，這是因為破片在楔頭著靶時能夠通過擠壓纖維穿透更多的層數，而在平頭形態時不易擠壓纖維穿透單層無緯布的阻擋，相近沖擊速度下，楔頭破片穿透的層數比平頭破片穿透的層數多，楔頭破片比平頭破片的穿透能力強。由圖12（b）可知，相同的破片以相近的速度無論何種形態著靶侵徹軟質防彈層，對無緯布產生的總損傷面積是十分接近的。即相同動能的同種破片對軟質防彈層的損傷總面積是相同的，與破片著靶時的形態無關。

圖11平頭-楔頭單層無緯布彈孔損傷面積

Fig.11Bullet hole damage area of single-layer unidirectional UHMWPE fabric when fragment flat head and wedge head hit the target

圖12相近彈速下兩種形態破片穿透層數對比與彈孔損傷總面積對比

Fig.12Comparisonofpenetrationlayersandtotaldamageareaofbuletholesbetweentwotypesoffragmentsatsimilarvelocite

2.3 軟質防彈層吸能分析

參照標準GJB4300A—2012《軍用防彈衣安全性能技術要求》，采用六發有效速度評定法分別對三種面密度下（ 4，5kg/m² 和 6kg/m² ）的軟質防彈層進行彈道極限V50試驗，試驗結果如表2所示。

表2彈道試驗結果

Tab.2 Ballistic test results

2.3.1 破片著靶形態對抗彈吸能影響分析

由表2可以看出無論破片侵徹哪種面密度下的UHMWPE無緯布軟質防彈層，破片以平頭形態著靶時的彈道極限V50均比破片以楔頭形態著靶時的彈道極限V50高，分別高出 3.76%.5.10%.3.18% 。通過計算得知，破片以平頭著靶時軟質防彈層的極限吸能比楔頭著靶時分別高出 7.66% ！ 10.46% ！6.45% ，其增加趨勢如圖13所示。

圖13不同著靶形態下的極限吸能值Fig.13The ultimate energy absorption values underdifferent target-hitting morphologies

由2.1.2節可知，由于破片楔頭著靶時更容易通過擠壓變形穿透無緯布，相近速度下，破片楔頭著靶時的穿透的層數比平頭著靶時多，說明軟質防彈層抵御楔頭破片侵徹的防護能力比較差，表現在吸能方面即為破片以楔頭著靶時軟質防彈層的極限吸能比平頭著靶時低

2.3.2 面密度對抗彈吸能影響分析

由表2可知，隨著面密度的提高，軟質防彈層的彈道極限V50增大[13]。通過計算軟質防彈層的極限比吸能可以得出軟質防彈層的極限比吸能隨著面密度的提高而減小。面密度與彈道極限V50和極限比吸能的關系如圖14所示。

圖14彈道極限V50和極限比吸能隨面密度的變化趨勢

Fig.14Trends of the balistic limit V5O and ultimate specific absorption energy with changes in areal density

本文使用的UHMWPE纖維的強度高達2.95GPa ，大量文獻表明，UHMWPE纖維抗侵徹過程中的主要吸能方式為纖維的拉伸作用[14]，剪切方式下的吸能較少。翁浦瑩等[15]在其研究中指出，UHMWPE纖維無緯布能夠更有效地抵抗拉伸作用力，但抗剪切作用能力較弱。統計每個軟質防彈層未穿透發數的穿透層數，其數據如表3、表4所示。

Tab.3Number of penetration layers for the unpenetrated rounds of the flat-head target-hiting

表4楔頭著靶未穿透發數的穿透層數

表3平頭著靶未穿透發數的穿透層數

Tab.4Number of penetration layers for the unpenetrated rounds of the wedge head on target

由表3、表4中數據可知，隨著面密度的提高，軟質防彈層的平均穿透率增加，即參與剪切作用的層數所占百分比增加，參與拉伸作用的層數所占百分比減少，單位面密度的能量吸收效率降低，即隨著面密度的提高，軟質防彈層的極限比吸能呈現降低趨勢。

3結論

本文以UHMWPE無緯布軟質防彈層為研究對象，采用 1.1g 柱狀模擬破片進行破片彈道侵徹試驗和彈道極限V50試驗，分析單層無緯布彈孔損傷形貌特征以及破片不同形態對軟質防彈層的損傷破壞影響，計算單層無緯布的損傷面積，分析破片形態和面密度對軟質防彈層的彈道極限和吸能的影響。得到的具體結果如下：

a）破片侵人UHMWPE無緯布軟質防彈層的過程中，沖擊面層纖維的主要破壞模式為剪切斷裂，快速消耗破片動能；中間面層纖維的主要破壞模式為拉伸斷裂，彈孔周圍出現毛刺和纖維的脫粘現象；背部面層纖維的主要破壞模式以纖維的拉拔和原纖化為主。

b）相近速度下破片以楔頭著靶時的穿透層數更多，穿透能力更強；相近速度下兩種著靶形態破片對無緯布的損傷總面積是相近的；無論破片以何種形態著靶，相同速度穿透軟質防彈層的總面積是一樣的。

c）破片以不同形態侵徹軟質防彈層時，平頭形態著靶工況下的彈道極限高于楔頭形態著靶工況下的彈道極限，平均高 4.01% ，軟質防彈層抵御平頭破片侵徹的防護能力優于楔頭；提高面密度可增強整體抗彈性能，但會降低單位面密度的能量吸收效率。

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An experimental study on the anti-fragmentation penetration of soft bulletproof layers made of unidirectional UHMWPE fabric

REN Anke，WANG Xucai， WANG Wei， LU Zhenyu， LI Baoding， PENG Gang（Norinco Group China North Material Scienceand Engineering Technology Group Corporation，Jinan 25O031，China）

Abstract：UHMWPE fibers represent the third generation of high-performance fibers， folowing carbon fibers and aramid fibers. They boast multiple advantages such as high modulus，high strength，and excelent energy absorption characteristics. UHMWPE fibers are notably lightweight， being approximately 20% lighter than conventional aramid fibers and 30% lighter than carbon fiber-reinforced composites. The molecular chains of UHMWPE fibers possess an extremely high linearity，with their mechanical properties further enhanced by high orientationand crystalization during the spinning process.The molecular structure with high orientation and crystallzation provides UHMWPE fibers with exceptional strength and modulus.Additionally，it demonstrates excellent energy absorption and acoustic emision transmision capabilities under dynamic loading conditions.Overall，due to its unique molecular structure and outstanding mechanical properties，UHMWPE fibers hold significant application potential in the field of lightweight and high-strength composites，especially in the area of personal protection.Therefore，conducting experimental research ontheanti-fragmentationpenetration of softbuletproof layers made of unidirectional UHMWPE fabric is crucial for optimizing body armor design to enhance their safety.

Soft bulletproof layers are a crucial component of buletprof vests，and ultra-high molecular weight polyethylene（UHMWPE）fibersare widelyutilized within these soft balistic layers.This study focused on soft buletproof layers made of unidirectional UHMWPE fabric to conduct fragmentation penetration tests using two diffrent shapes of targets： flat-head and wedge-head ones.A1.1g cylindrical simulated fragment was employed for these tests to determine theballistic ultimatevelocity，knownas V5O.Image Jsoftware was utilized to measure the damage areas of bullt holes of each layer，in order to analyze the damage morphology caused bythe fragments and study the ballistic penetration mechanism under diferent target-hiting morphologies.The results revealed that when fragments penetrate the softbuletproof layers inthe two diffrent morphologies at similar impact velocities，the total damage area to a single layer of unidirectional fabric is comparable.The balistic limit（V5O）for fragments impacting with a flat head is， on average， 4.01% higher than that for fragments impacting with a wedge head. Additionally，the ultimate energy absorption of the soft bulltprof layer when fragments impact with a flat head is， on average， 8.19% higher than that when fragments impact with a wedge head. Furthermore， as the areal density increases，the energy absorbed perunit areal density by theunidirectional UHMWPE fabricsoft balistic layer decreases.

The unidirectional UHMWPE fabric soft balistic layer is a key component of soft body armor and is commonly used in military，police，and civilian personal protective equipment.Research on the anti-penetration mechanisms and the penetration processof the soft bulletprof layers made of unidirectional UHMWPE fabric has been enhanced to provide a theoretical foundation and technical support for the effective design of soft body armor.

Keywords：soft bulletprof layer;bullet hole damage;balistic limit V5O;ultimate energy absorption;limit specific energy absorption