高分子纤维复合防弹材料研究

龙 浩，尚武林，张二勇，杨 威

（连云港神鹰复合材料科技有限公司，江苏 连云港 222000）

恐怖袭击和局部战争在世界范围内仍时有发生，士兵或警员被子弹击中致死的比例较高，因此，世界各国都在不断研制、优化各类新型防弹材料。高性能纤维复合材料综合了纤维优异的力学性能和特种树脂基体的抗冲击性等优点，是理想的防弹材料。

目前，工业化、大规模生产的高性能纤维主要有对位芳香族聚酰胺纤维（芳纶纤维）、超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）纤维和碳纤维。芳纶纤维的比强度和比模量是钢铁的10倍，而UHMWPE的比强度又高出芳纶纤维1.5倍。单根纤维或束丝并不能起到防弹的作用，将纤维按一定的规律排列整合，才能有效地抵御弹丸或破片的伤害。将纤维整合起来主要有两种途径，机织布和无纬布，前者是通过织机进行编织，后者则是由单向复合工艺制成。

对于超高分子质量聚乙烯纤维，荷兰DSM公司由SK60、SK65发展到SK75、SK76。联合信号公司则有S900、S1000、S2000等品种。1986年，美国联合信号公司得到荷兰DSM公司专利许可后，开始以Spectra为商标生产一种强度更高的纤维—UHMWPE。前者标志着防弹材料由硬质向软质的转变，改变了人们对防弹机理的认识，极大地拓展了防弹材料的空间；后者则加速了防弹材料向轻量化、舒适化的方向发展。

弹丸或破片击中织物后，产生的应变波分为纵向波和横向波，纵向波的交接点可将应力传给辅助纤维，横向波产生的位移也通过交接点使边缘纤维承受传导的应力。弹道学试验表明，40%～50%的能量被辅助纤维所吸收。所以，织物的交接点越多，能量被吸收得越多，防弹性能越好。因此，防弹织物的编织方式较多地采用平纹而非斜纹。

1 国内外研究现状

在破片的高速冲击下，材料的应变率效应必须要考虑，因此，有必要开展UHMWPE、碳纤维及其复合材料的准静态和动态力学特性测试。东华大学[1]和中国科学技术大学[2]等科研单位也在纤维增强复合材料的动态力学性能测试方面做了很多卓有成效的工作。由于不同厂家的生产工艺不同、采用的基体材料不同，复合材料成型工艺也有一定差异。

目前，对弹丸和破片侵入防弹材料及人体靶标的数值计算研究有一定困难，一方面是由于复合材料的力学特性较难准确模拟，另一方面是由于缺乏准确的生物软组织动态力学模型及参数。生物软组织的波阻抗很低，传统霍普金森杆设备无法直接用来测量这类软材料的动态力学特性。蔡志华等[3]建立了一个带碱式氯化铝（Aluminum Chlorohydrate，ACH）材料的人体有限元模型，采用黏弹性材料人体模型来模拟力学响应。通过仿真研究，重点分析了手枪弹侵损该模型过程中，有无泡沫衬垫和泡沫衬垫厚度对人体损伤的影响。在有泡沫作用下，身体组织压力峰值降低了20.6%，材料背凸变形量减少了约10.0%；使用6 mm厚泡沫衬垫时颅骨出现了骨折，而使用12 mm厚泡沫时，身体组织压力峰值减少了50.0%。

在试验研究方面，对不同材料和结构材料进行弹道测试的研究较多，主要通过极限穿透速度（V50）和材料内部胶泥凹陷深度来评估材料的防护性能。美国陆军实验室一直在研究如何对UHMWPE材料的V50性能和内部鼓包高度进行优化，并提出了一种新的复合结构：在前75%厚度采用0/90铺层方式，在后25%厚度按照每两层相对于前两层以顺时针旋转22.5°的铺层顺序。研究表明，在使用Dyneema®HB25材料时，相比于传统正交铺层顺序，采用该方法生产的试验样品V50性能下降了10%，但是内部背凸高度减小了45%。当采用Spectra Shield® II SR-3136材料时，V50性能没有降低，但内部背凸高度减小了40%。

材料的V50和内部背凸高度这两个指标并不能直观地用于评价由此造成的人体损伤，因此需要建立一个可用于测试人体钝击动态响应特性的人体模拟靶标。由于人体组织器官较多，这就增加了模型建立的难度。唐刘建[4]在研究防弹衣后钝性损伤时，建立“明胶-胸廓”人体模拟靶标，通过在靶标内放置加速度传感器、压力传感器来获取钝击过程中人体典型部位的动态响应特性。在钝击情况下，防弹材料瞬时背凸经常造成人体骨折，进而对身体组织等重要器官产生损伤，严重时甚至能造成人员死亡。

2 主要研究材料及方法

2.1 防弹纤维及其复合材料力学特性测试

采用万能材料试验机和霍普金森杆（Split Hopkinson Tension Bar，SHTB）分别进行UHMWPE纤维、CF纤维、基体及其复合材料的准静态和动态力学特性测试。传统霍普金森杆设备主要用于测试金属材料在高应变率下的动态力学特性。霍普金森设备的杆件一般采用GCr15轴承钢制作，直径在14.5～19.0 mm，可以测量纤维增强复合材料的动态拉伸和压缩性能。

随着冲击生物力学研究的不断发展，需要能够准确测量生物材料在高应变率下动态力学性能的手段与方法。生物软材料的低波速和低波阻抗性质给其动态力学性能测试带来了相当大的挑战。虽然科技人员采用低波阻抗杆、高灵敏度传感器等方法在一定程度上提高了透射信号的信噪比，但是在软组织材料测试中实际需要解决的问题仍比金属材料测试难很多。

2.2 复合防弹材料防护性能数值模拟

建立复合防弹材料数值计算模型，研究各项异性纤维增强复合材料的数值模拟方法。以人体几何模型数据为基础，建立包含头骨、大脑、小脑等人体典型组织结构的人体有限元模型。开展弹丸和破片损伤防弹材料人体模型的钝击效应数值计算，为材料防护性能评估和人体损伤评估提供定量数据，为防弹材料结构优化提供数据参考。

建立防弹材料的三维几何模型，采用Hypermesh软件进行有限元网格划分。分别划分两种有限元方案，一种基于宏观力学用每个单元模拟纤维和基体的宏观力学性能，另一种基于微观力学将纤维和基体分别采用不同的单元模拟。基于我国人体模型大数据，在Mimics软件中构建人体几何模型，再采用Ansys/ICEM CFD软件中对获得的几何模型进行表面优化。将防弹材料与人体有限元模型装配组成钝击效应数值计算模型，并在LS-Dyna软件的前处理器中定义初始条件、边界条件和接触类型等求解信息，通过与试验结果对比来校验和完善数值模型。通过改变防弹材料碳纤维复合材料层的有限元网格和材料参数来模拟不同编织方式对材料穿透深度、背部瞬态凸起和压力波等钝击特征量的定量影响规律。

2.3 复合防弹材料防护性能测试

制作人体模拟靶标实物模型，并建立瞬态多参数同步测量系统；开展枪弹和破片以不同速度、不同角度侵入带材料人体模型弹道冲击试验；获取瞬态变形、加速度、压力波等典型特征量，为材料防护性能验证和数值模型验证提供必要的数据。

静态力学测试采用万能材料试验机进行，主要测量两种纤维及其复合材料的准静态拉伸、压缩和剪切特性。UHMWPE纤维、碳纤维、树脂及其复合材料强度不同，需在不同吨位万能材料试验机进行力学性能测试。

采用霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）装置和高屈服强度、高弹性模量的特种合金钢材质的加载杆，测量UHMWPE无纬布和碳纤维增强复合材料的动态压缩性能。采用霍普金森拉杆（SHTB）装置、合金钢加载杆和特制的试样拉伸夹具，测量UHMWPE纤维、UHMWPE纤维增强复合材料、碳纤维及碳纤维增强复合材料的动态拉伸力学特性。SHPB和SHTB试验装置如图1所示。

图1 霍普金森压杆（SHPB）

2.4 复合防弹材料实弹实验

高速投射物对有防护下均质明胶靶标的钝击效应试验和数值研究如图2所示。试验结果的重复性较好，给出了明胶内瞬时凹陷和压力波随时间的变化规律，仿真结果基本再现了试验的主要现象，但具体数值与试验误差较大。这主要是由于UHMWPE纤维增强复合材料和弹道明胶的本构模型和材料参数不够准确。

图2 高速摄影拍摄的明胶内冲击凹陷随时间变化情况

3 结语

采用材料力学试验、数值模拟计算和弹道冲击试验相结合的方法开展新型UHMWPE/CF复合防弹材料防护性能研究。在获取复合材料和人体模拟材料准确力学特性参数的基础上，通过数值模拟进行设计方案优选，从而帮助企业节约研制成本、加快研发进度。建立人体模拟靶标和人体有限元靶标，获取钝击过程中人体的加速度、压力波和应力分布等特征参数，为科学合理地评估材料防护性能和人体损伤严重度奠定基础。