超高分子质量聚乙烯平纹织物在柔性防弹服中的应用

周 熠， 陈晓钢， 张尚勇， 龚小舟

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200；2. 曼彻斯特大学 材料学院， 英国 曼彻斯特 M13 9PL)

超高分子质量聚乙烯平纹织物在柔性防弹服中的应用

周 熠1， 陈晓钢2， 张尚勇1， 龚小舟1

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200；2. 曼彻斯特大学 材料学院， 英国 曼彻斯特 M13 9PL)

为提升柔性防弹服的防弹性能，将超高分子质量聚乙烯平纹织物用于单向铺层材料中，以增强材料整体的能量吸收性能。通过穿透性弹道实验发现：由超高分子质量聚乙烯纤维制成的机织物在冲击过程中对受到的剪切作用有较好的抵御效果；单向铺层材料对于横向拉伸作用，有较好的防护作用。基于这种结论，设计了复合型防弹材料。测试结果表明，机织物放置在靠近弹丸冲击的一侧，单向铺层材料放置在远离弹丸冲击的一侧，这种结构有利于防弹复合材料性能的提升。当复合型防弹材料中机织物与单向铺层材料质量比为1∶3时，其防弹性能最好。

聚乙烯平纹织物； 单向铺层材料； 防弹性能； 能量吸收

高性能纤维在弹道防护领域中的运用使得柔性防弹服的防弹性能不断提高，质量不断地降低，并且为其使用者提供良好的舒适性和活动性。考虑到防护领域对材料力学性能特殊要求，大部分柔性防弹服所用的材料还仅仅局限于芳纶和超高分子质量聚乙烯纤维。芳纶具有较高的拉伸强度(2.9～3.4 GPa)和弹性模量(70～135 GPa)、较低的体积密度(1.44 g/cm3)和抗冲击性能以及较好的耐热性能, 成为优良的防弹材料；超高分子质量聚乙烯纤维是一种由平均相对分子质量在100万以上的聚乙烯制备而成的纤维，是继芳纶之后出现的又一种高强度(2.2～3.9 GPa)、高模量(52～131 GPa)的高性能纤维。该纤维除具有高强度、高模量的特点以外，还具有良好的耐化学腐蚀和耐光照性能和优良的耐冲击、抗切割等性能，并且是所有高强高模纤维中密度最小的纤维(0.97 g/cm3)，因此，超高分子质量聚乙烯纤维同样也是制作柔性防弹服的绝佳材料。

对于柔性防弹服而言，平纹织物结构在柔性防弹服的设计中使用最为广泛。这是因为与其他形式的柔性材料相比，平纹织物的结构稳定性最好。在对针织物性能的研究过程中发现，虽然其能量吸收要比同类机织物高，但是其低拉伸模量会造成非常大的横向变形，对于柔性防弹服的整体性能不利。毡类单向铺层材料对低速大体积弹片的防护性能很好，但对高速小体积弹丸的防护效果却不理想[1-2]。在平纹结构织物防弹性能的研究过程中，Cunniff[3]发现织物的紧度既不能太大也不能太小。太大的话会在织造过程中对纤维的物理性能造成影响，太小的话纤维易在弹丸冲击过程中发生滑移，不利于能量的吸收与传递。Abiru等[4]对这一关键性问题做了更详细的研究发现，织物中纤维屈曲越小，纤维的轴向与弹丸冲击的方向越接近90°，高性能纤维的高模量和高强度就越能体现出来，但是为减少屈曲，势必降低织物紧度，那么纤维在受到横向冲击时易产生滑移，因此，推导出一个临界紧度，当织物的紧度在这个范围时，才会获得最好的防弹性能。

单向铺层(unidirectional，简称UD)材料结构的发明解决了这一难题。在单向铺层材料中，纤维呈相互平行状排列，层与层之间以一定角度排列，随后利用黏合剂进行层压黏合[5]。由于黏合剂的使用量比较小(低于20%[6])，复合而成的材料具有一定的柔性。由于没有纱线屈曲，能量能够通过纤维迅速地传递到材料中去，材料优良的性能能够得到最好的发挥；而且由于黏合剂的约束作用，纤维在受到外力时不会产生滑移，这样就杜绝了材料不受力的现象，提升了材料的利用率。单向铺层材料优越的防弹性能已在很多研究中得到证实[7-8]。一个有趣的现象是，单向铺层材料大都由超高分子质量聚乙烯纤维构成，而平纹织物由芳纶纤维构成。普遍认为超高分子质量聚乙烯纤维具有高模量和低密度，有利于横向波和纵向波的传递，单向铺层材料结构更能体现出这种性能，但是超高分子质量聚乙烯纤维之间的摩擦因数很小，平纹织物形态的纤维在受到外力作用时易产生滑移和拉出，改变纤维的受力状态，阻碍纤维性能的体现。Cunniff[3]指出，超高分子质量聚乙烯纤维Spectra所制成的平纹织物在穿透性弹丸冲击实验中比芳纶Kevlar®具有更高的能量吸收，该实验结果表明，在某种特定的环境下，超高分子质量聚乙烯纤维的防弹性能可以织物的形式得到更好的体现。

本文将利用穿透性和非穿透性弹道冲击实验，对芳纶机织物、超高分子质量聚乙烯机织物和超高分子质量聚乙烯单向铺层材料的防弹性能和破坏机制进行分析, 探讨在何种条件下才能最大限度地利用超高分子质量聚乙烯材料的力学性能，为使用者提供良好的弹道防护。除此之外，将在实验基础上，提出一套合理的准则，优化柔性防弹服的设计方案。

1 试样准备

本文使用的超高分子质量聚乙烯纤维的型号为Dyneema®SK75(由荷兰DSM公司提供)；单向铺层材料的型号为Dyneema®SB1(由荷兰DSM公司提供)；芳纶的型号为Kevlar®129(由美国杜邦公司提供)。平纹织物是在Northrop L16多臂织机上制备而成的。为更好地对比Dyneema®和Kevlar®织物的防弹性能，二者被设计成相同的面密度。单向铺层材料Dyneema®SB1由4层平行排列的纤维网构成，铺层的角度为0°/90°。试样参数见表 1。

表1 试样参数Tab.1 Sample specifications

2 测试方法

弹道冲击设备可进行穿透性和非穿透性测试。穿透性测试主要是在单层或者少量布层上进行，测量他们的能量吸收性能。使用的弹丸为圆柱形，底面直径和高都为5.5 cm，质量为1 g。弹丸的入射速度在400～500 m/s之间。弹丸的射入速度和射出速度分别采用2组红外射线进行测试。弹丸穿过每组红外射线时, 产生2次电压脉冲。2次电压脉冲间的时间间隔就是穿过每组射线的时间,从而可获得弹丸的速度。测试时，试样被裁制成25 cm×25 cm，便于夹具夹取。实验设备如图 1所示。试样的防弹性能通过计算弹丸动能损失获得：

式中：△E为弹丸动能损失；m为弹丸质量；v1和v2分别为弹丸入射和出射速度。非穿透实验参照美国NIJ 0101.04 《个人弹道防弹性能》实验标准，利用较多的铺层进行冲击测试。材料不会被穿透，防弹性能通过被穿透试样的层数和背部的黏土材料弹坑的深度进行表征。

图1 弹丸冲击实验设备Fig.1 Ballistic impact apparatus

3 穿透性弹道实验结果

由于入射速度不同，试样在不同情况下受到弹丸的冲击，因此不适合用平均能量吸收加误差线的方式比较不同试样的防弹性能。在此，利用入射速度和出射速度建立坐标系，不同材料防弹性能对比如图2所示。图2(a)示出单层试样的测试结果。凭借趋势线方程，选定500 m/s的入射速度来对比在此入射速度下各试样的能量吸收。计算结果表明，试样1的能量吸收比试样3高5.8%。为对比平纹结构织物和单向铺层结构的防弹性能，能量吸收需要除以面密度。实验结果表明试样1的能量吸收比试样2高12.76%。通过穿透性实验得到的数据和Cunniff[3]的实验数据相符，即由超高分子质量聚乙烯纤维制备的机织物具有最高的能量吸收性能，而获得广泛认可的单向铺层材料却显示出最低的能量吸收性能。

图2 不同材料防弹性能对比Fig.2 Comparison of ballistic performance of different materials. (a) Single-layer fabrics; (b) Multi-layer fabrics

由于夹具的限制，最大可测的面密度在1 900 g/m2左右，这并不影响对3种防弹材料的性能对比。图2(b)示出多层穿透性实验的结果。研究发现，随着层数的增加，单向铺层材料逐渐体现出其优于平纹织物的的防弹性能。根据趋势线推断，铺层越多，面密度越大，单向铺层材料的防弹性能就越好。此研究结论和Lee等[9]的结论相似，唯一的不同之处是所测试样品是Spectra®纤维增强型复合材料。对比发现：试样1的能量吸收性能一直优于试样2，但是观察试样1的趋势线发现，随着层数的增多，能量吸收有递减的趋势；而试样2的趋势线却不存在这种走向。

图2(b)所示的结果很好地解释了为什么超高分子质量聚乙烯平纹织物不利于柔性防弹服的使用设计，但其内在原因却值得深思，即为什么随着层数的增加，其能量吸收性能有弱化的趋势。Chen等[10]的研究结果表明接近子弹打击面的材料易受到子弹的剪切作用而断裂，远离子弹打击面的材料易受到子弹的拉伸作用而断裂。由于平纹织物是通过纱线上下交织而成，约束力较弱。当受到子弹侵彻作用时，纤维易产生滑移 (见图3(a))，从某种程度上来说可有效抵御子弹边缘的剪切作用；而单向铺层结构材料由于集体材料的黏合作用，纤维在受到外力作用的时候不会产生滑移，子弹易通过剪切作用使纤维断裂，这从图3 (b)所示外观就能观察到。再者，平纹织物纱线间的摩擦作用可损耗一部分能量，而单向铺层结构材料却没有这种能量损耗机制。最后，夹具的握持作用很大程度上限制了纱线的抽出，使得超高分子质量聚乙烯纤维的力学性能得到了充分的利用，这也可理解为什么单层状态下超高分子质量聚乙烯纤维织物的能量吸收比芳纶织物略高。

图3 弹丸高速冲击下损毁试样Fig.3 Penetrated samples upon ballistic impact. (a) Dyneema® woven fabric; (b) Dyneema®SB1 UD fabric; (c) Kevlar®129 woven fabric

随着层数的增多，能量吸收的机制发生改变，受到弹丸横向拉伸作用的材料所占比例越来越大，因此材料的抗拉伸性能越好，则铺层材料的能量吸收性能越高。对于单向铺层材料来说，由于受到基体材料的黏合作用，纤维不存在滑移的可能。当远离打击面的布层受到弹丸的横向拉伸作用时，唯一的破坏方式就是纤维层的断裂。而机织物结构相对来说较为松散，当弹丸通过表层纤维材料对中层和底层纤维材料进行横向拉伸时，中底层的结构会发生形变和纤维滑移，使得材料易被穿透。柔性防弹服在穿戴的情况下，边界上没有夹具对纱线产生握持，纤维易被拉出，这种现象更为明显。在这种情况下，机织物结构只有靠纤维间的摩擦力对纤维的握持，来维持织物结构的稳定性。对比超高分子质量聚乙烯纤维和芳纶纤维，前者的纤维间摩擦因数为0.14[11]，远低于后者(0.22±0.03)[12]，因此，超高分子质量聚乙烯纤维平纹织物在远离打击面的位置，更易因纤维滑移和拉出，而不是纤维断裂，被弹丸穿透。

4 柔性防弹材料的优化设计

穿透性侵彻实验发现，平纹织物具有较好的抗剪切性能，但受到子弹横向拉伸时，纤维易产生滑移和拉出，因此可通过优化柔性防弹服的设计，来充分利用高性能纤维的防弹性能。即已得知单向铺层材料具有较好的抗拉伸性能，通过结合单向铺层材料和平纹织物，设计了2种结构：结构甲，平纹织物放置于表层；结构乙，单向铺层材料放置于表层。为更好地对比2种结构的防弹性能，其面密度被设置为相似。与此同时，还对单向铺层材料和平纹织物的混合尝试了不同的比例，以寻求最优化的设计。详细参数见表2。

表2 复合试样的详细参数Tab.2 Composite sample specifications

为更好模拟防弹材料在真实情况下的防弹性能，本文研究采用了非穿透性子弹侵彻实验进行测试。试样的防弹性能取决于子弹冲击在背部泥板留下弹坑的深度。图4示出了复合试样的防弹性能。实验数据表明，试样5，即平纹织物和单向铺层材料质量比为1∶3时的防弹效果最好，单向铺层材料的防弹效果次之。随着平纹织物比例的上升，防弹性能随之下降。通过对比结构甲和结构乙发现，将平纹织物放置在接近子弹冲击面的一侧有利于提升弹道防护性能。实验结果与之前的推论相符。

图4 不同复合材料弹坑深度对比Fig.4 Depth of back face signature for different combinations

5 结 论

本文研究目的是探讨超高分子质量聚乙烯平纹织物在柔性防弹服中的应用。穿透性子弹侵彻实验对比结果表明，在材料层数较少的情况下，超高分子质量聚乙烯纤维平纹织物表现出最优越的能量吸收性能，超高分子质量聚乙烯纤维单向铺层材料最差；随着材料层数增多，单向铺层材料能提供最好的防弹性能。原因是材料层数较少的情况下，子弹易通过剪切作用使纤维断裂，平纹织物相对松散的结构有利于抵抗子弹的剪切作用；材料布层较多的情况下，远离打击面的材料会受到子弹的横向拉升作用，而单向铺层材料结构由于纤维被黏合剂固定住，有利于抵抗子弹的拉伸作用。关于超高分子质量聚乙烯纤维和芳纶纤维平纹织物的对比，得出的结论是当材料的结构相同时，纤维/纱线间存在的摩擦力能够在一定程度上防止纱线受到子弹冲击时发生滑移和拉出，有利于纤维力学性能的体现。

本文研究提出了一种防弹材料结构的优化设计，并进行了测试。实验结果表明，机织物放置在靠近子弹冲击的一侧，单向铺层材料放置在远离子弹冲击的一侧，有利于防弹复合材料性能的提升。最优化的复合型防弹材料是机织物和单向铺层材料质量比为1∶3，其防弹性能比单一单向铺层材料构成的布层更好。尽管超高分子质量聚乙烯纤维在柔性防弹服的运用上主要是单向铺层材料的形式，但是其平纹织物形态的利用仍然有值得挖掘的空间。利用超高分子质量聚乙烯机织物和单向铺层材料进行柔性防弹布层的设计是一种思路，另一种思路是和芳纶机织物复合。

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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

国家自然科学基金青年基金项目(11502179)

周熠(1987—)，男，讲师，博士。主要研究方向为弹道防护材料及其力学性能分析。龚小舟，通信作者，E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TB 334

A