芳綸復合材料抗彈性初探
1 前 言
防護裝甲的發展歷史已很漫長，至今，它已成為武器裝備應用中一項不可缺少的重要技術。早期的防護裝甲為金屬結構，面板為硬度高的金屬板，背板為韌性好的金屬板。60年代后，復合材料在武器裝備中的應用開始增加。美國先將芳綸復合材料制成防彈頭盔，接著又將芳綸纖維層壓板與陶瓷或鋼板復合，用于坦克裝甲。荷蘭用高強度聚乙烯復合材料作防彈板，改裝Volvo 440警車。陸續地，各國研究者開始嘗試用可設計性強的高性能復合材料來制作各種防彈防爆裝甲。
我國對防彈復合材料的研究起步較晚，目前仍采用笨重的全鋼制結構裝甲裝備部隊，嚴重影響部隊的機動性和靈活性，研究適合國情的新型防彈裝甲結構勢在必行。本文采用鋼結構與高性能芳綸復合材料復合，充分發揮兩者的優勢，既可以減重，又可以提高防護等級，根椐這一設想，考察了原材料、成型工藝等因素對防彈板抗彈性能的影響，并制作了面密度小、抗彈性能優異的芳綸復合材料（AFRP）/鋼板復合防彈板。
2 原材料及工藝
2.1 原材料
(1)基體材料
基體樹脂特性是影響復合材料抗彈性的重要方面。強度、韌性和耐熱性是所要考慮的主要內容。韌性是研究的重點。根據有關資料介紹，裝甲材料的斷裂韌性K1 c需要大于或等于0.1MNm-3/2。我們在研究中采用兩種樹脂：環氧和酚醛樹脂。
(2)芳綸纖維
所用芳綸織物基本性能如表1所示。
(3)高硬度裝甲鋼
表1 芳綸纖維的基本性能
復合防彈板由高硬度裝甲鋼與AFRP結構組成。其制作工藝按下列步驟進行：
?。?）在芳綸纖維織物浸膠前，先對其表面進行處理。因為纖維與基體的層間強度，不僅與基體的韌性有關，還與纖維的表面狀態有關。纖維經表面處理后，界面強度會明顯提高，為此，我們先對芳綸纖維的表面進行了處理。
?。?）為提高AFRP結構與鋼板的粘接強度，在鋼板使用前，我們對其表面進行噴砂除銹和復合溶液處理。
（3）將芳綸織物浸漬基體后，鋪放在模具內壓制，與鋼板復合。
3 抗彈性試驗
3.1 試驗
為了合理地進行試驗，我們采用正交試驗設計，以下列五個方面為影響因素：①基體；②芳綸纖維的表面處理；③樹脂含量；④鋼板與AFRP的著彈次序；⑤鋼板的表面處理。靶板尺寸為200×200mm,每組五個試樣。試驗用槍：7.62 mm口徑51式彈道槍；試驗用彈：51－1式鋼彈；射擊傾角：90°；射擊距離：10 m；用測速儀測速。
3.2 試驗結果
試驗結果如表2所示。
4 結果與討論
由表2可以看出:
（2）一、四、五、八組試樣中，雖然彈擊后均有鼓包及分層現象，但結構受損程度不同，一組好，四、五次之，八組差，已超過安全容限。從這些試樣中可以看出纖維與基體的界面強度對靶板的抗彈性有很大影響。
（3）五組試樣中，鋼板與AFRP結構之間出現較大面積的分層，甚至脫層現象；一組試樣中，界面接合緊密或只有小部分分層現象?？梢?，鋼板與AFRP的界面也不容忽視。
試驗結果顯示，影響芳綸復合材料抗彈性的原因可以歸納為兩個主要問題：一是鋼板與AFRP的著彈次序；二是界面問題。下面就對這兩個問題加以討論。
4.1 著彈面對抗彈性的影響
靶板的抗彈機理，即彈體對防彈結構單元的侵切是一個非常復雜的過程，可分為兩步：
先是彈體與金屬鋼板的相互作用。由于鋼板屬于各向同性材料，在沖擊載荷下的塑性變形性能不同于靜態下的性能，在彈體與其接觸時，鋼板產生飛濺，形成彈坑；接著，彈坑底部沖擊裂紋擴展，由絕熱剪切作用導致沖擊破壞，消耗彈體的一部分動能。
然后是彈體與AFRP結構的相互作用。AFRP結構為各向異性材料，其破壞過程與機理不同于金屬鋼板。其防彈性能主要由纖維決定，但還與基體類型、基體含量、成型工藝等因素有關。另外，由于纖維類型、織物及復合材料結構之間存在著差異，盡管玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、陶瓷纖維、尼龍、高強度聚乙烯等均可用于裝甲防護，但至今還沒有一個單一模型可以定量地描述彈道沖擊的過程，只能根據具體情況來討論。
就芳綸纖維而言，在彈體向前穿過靶板時，變形也在發展。早期時，靶板材料加速、壓縮、在彈體前擠壓并剪切；后期時，纖維受拉伸，進而分層，形成凹形。
試驗中，以AFRP為彈擊面時，由于鋼板為剛性體，它不會隨AFRP的變形而變形；相反，它會阻礙AFRP的形變，使其在未達到大應變前破壞，從而降低靶板整體的抗彈道沖擊性。
因此，為提高整體的防彈性能，宜采取鋼板背襯AFRP的結構形式。
4.2 界面對抗彈性的影響
?。?）織物對彈道性的貢獻
傳統彈道理論認為，織物對彈體的抗沖擊性是因為織物吸收了彈體沖擊的動能。彈體擊中靶板后產生應力波，應力波沿纖維軸向及縱向傳播。能量吸收速率是波速的函數，而波速又是纖維模量和密度的函數。要產生較高的波動速率，需要纖維有較高模量，從而需要犧牲纖維的斷裂延伸率。但是，并不是模量越高越好，模量的不斷提高會逐漸增加纖維的脆性，終降低纖維對應變能量的吸收。
芳綸纖維的抗彈道沖擊性應歸功于它優異的熱穩定性、高結晶性、高取向結構及高拉伸性能。玻璃化轉變溫度高和優異的熱穩定性使芳綸纖維在彈道沖擊所產生的高溫度下，可以保證抗沖擊結構的穩定性；高結晶、高取向性產生了高模量，保證了高的波動速率及對軸向變形的快速反應；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作。這些性能使芳綸纖維在受彈道沖擊時能有效的吸收軸向應變能和縱向動能。
?。?）纖維的表面處理
由于芳綸纖維結晶性好，纖維表面不活潑，與樹脂的浸潤性不好，從而界面接合力差，粘接界面不能很好地傳遞應力，受彈道沖擊時，引起嚴重分層現象，所以，必須對纖維表面進行處理，以改善界面強度。
(3)鋼板與AFRP的界面
這一問題主要涉及到鋼板的表面處理。鋼板只經過簡單的噴砂處理后，并不能達到理想的粘接強度；而且，鋼板短時間放置后，表面又會重新氧化，影響粘接效果。為此，我們用自制的復合溶液對噴砂后的鋼板進一步處理，改善鋼板與AFRP結構的界面。試驗證實，經復合溶液處理的鋼板彈擊后，沒有出現與AFRP結構的脫層現象；否則，脫層現象嚴重，影響整體的完整性與安全性。
4.3 樹脂基體的影響
雖然鋼板和纖維在整個靶板結構的彈道沖擊中起主要作用，但基體的影響也不可忽視?；w所起的作用有三：一是將纖維粘接在一起，使其成為受力整體；二是將能量從上一相鄰織物層傳遞到下一相鄰織物層，每一界面均起到反射應力波的作用。另外，基體在高速沖擊下產生裂紋，并沿織物平面擴展，終導致分層破壞，從而吸收部分動能。
復合材料層間粘接強度的高低取決于樹脂基體的韌性，其韌性越好，則復合材料層間粘接強度也就越高。
結合彈擊試驗結果可以看出，樹脂基體韌性越好，其抗彈性能也越好。
基體含量過高，整個結構剛性增加，受高速沖擊后纖維未達到大破壞應變就已斷裂，不能充分發揮織物的特性；樹脂基體含量過低，則界面粘接不牢固，不能有效地傳遞應力波，彈擊后，結構分層破壞嚴重，影響抗彈效果。試驗表明，樹脂基體含量在25%～35％時，抗彈效果好。
5 結 論
(1)纖維模量會對復合材料的能量吸收產生影響，高模量可以保證高的應變波速，但實際應用中，以中等模量為佳。
(2)對纖維表面進行處理，可以提高抗彈性。
(3)樹脂基體韌性好，復合材料層間粘接強度高，抗彈性能好；樹脂含量以25%～35％為宜。
(4)以鋼板為彈擊面的靶板抗彈性明顯好于以AFRP為彈擊面的靶板。
(5)對鋼板表面進行噴砂及復合溶液處理，界面粘接牢固，彈擊后安全性高。
防護裝甲的發展歷史已很漫長，至今，它已成為武器裝備應用中一項不可缺少的重要技術。早期的防護裝甲為金屬結構，面板為硬度高的金屬板，背板為韌性好的金屬板。60年代后，復合材料在武器裝備中的應用開始增加。美國先將芳綸復合材料制成防彈頭盔，接著又將芳綸纖維層壓板與陶瓷或鋼板復合，用于坦克裝甲。荷蘭用高強度聚乙烯復合材料作防彈板，改裝Volvo 440警車。陸續地，各國研究者開始嘗試用可設計性強的高性能復合材料來制作各種防彈防爆裝甲。
我國對防彈復合材料的研究起步較晚，目前仍采用笨重的全鋼制結構裝甲裝備部隊，嚴重影響部隊的機動性和靈活性，研究適合國情的新型防彈裝甲結構勢在必行。本文采用鋼結構與高性能芳綸復合材料復合，充分發揮兩者的優勢，既可以減重，又可以提高防護等級，根椐這一設想，考察了原材料、成型工藝等因素對防彈板抗彈性能的影響，并制作了面密度小、抗彈性能優異的芳綸復合材料（AFRP）/鋼板復合防彈板。
2 原材料及工藝
2.1 原材料
(1)基體材料
基體樹脂特性是影響復合材料抗彈性的重要方面。強度、韌性和耐熱性是所要考慮的主要內容。韌性是研究的重點。根據有關資料介紹，裝甲材料的斷裂韌性K1 c需要大于或等于0.1MNm-3/2。我們在研究中采用兩種樹脂：環氧和酚醛樹脂。
(2)芳綸纖維
所用芳綸織物基本性能如表1所示。
(3)高硬度裝甲鋼
表1 芳綸纖維的基本性能
復合防彈板由高硬度裝甲鋼與AFRP結構組成。其制作工藝按下列步驟進行：
?。?）在芳綸纖維織物浸膠前，先對其表面進行處理。因為纖維與基體的層間強度，不僅與基體的韌性有關，還與纖維的表面狀態有關。纖維經表面處理后，界面強度會明顯提高，為此，我們先對芳綸纖維的表面進行了處理。
?。?）為提高AFRP結構與鋼板的粘接強度，在鋼板使用前，我們對其表面進行噴砂除銹和復合溶液處理。
（3）將芳綸織物浸漬基體后，鋪放在模具內壓制，與鋼板復合。
3 抗彈性試驗
3.1 試驗
為了合理地進行試驗，我們采用正交試驗設計，以下列五個方面為影響因素：①基體；②芳綸纖維的表面處理；③樹脂含量；④鋼板與AFRP的著彈次序；⑤鋼板的表面處理。靶板尺寸為200×200mm,每組五個試樣。試驗用槍：7.62 mm口徑51式彈道槍；試驗用彈：51－1式鋼彈；射擊傾角：90°；射擊距離：10 m；用測速儀測速。
3.2 試驗結果
試驗結果如表2所示。
4 結果與討論
由表2可以看出:
（2）一、四、五、八組試樣中，雖然彈擊后均有鼓包及分層現象，但結構受損程度不同，一組好，四、五次之，八組差，已超過安全容限。從這些試樣中可以看出纖維與基體的界面強度對靶板的抗彈性有很大影響。
（3）五組試樣中，鋼板與AFRP結構之間出現較大面積的分層，甚至脫層現象；一組試樣中，界面接合緊密或只有小部分分層現象?？梢?，鋼板與AFRP的界面也不容忽視。
試驗結果顯示，影響芳綸復合材料抗彈性的原因可以歸納為兩個主要問題：一是鋼板與AFRP的著彈次序；二是界面問題。下面就對這兩個問題加以討論。
4.1 著彈面對抗彈性的影響
靶板的抗彈機理，即彈體對防彈結構單元的侵切是一個非常復雜的過程，可分為兩步：
先是彈體與金屬鋼板的相互作用。由于鋼板屬于各向同性材料，在沖擊載荷下的塑性變形性能不同于靜態下的性能，在彈體與其接觸時，鋼板產生飛濺，形成彈坑；接著，彈坑底部沖擊裂紋擴展，由絕熱剪切作用導致沖擊破壞，消耗彈體的一部分動能。
然后是彈體與AFRP結構的相互作用。AFRP結構為各向異性材料，其破壞過程與機理不同于金屬鋼板。其防彈性能主要由纖維決定，但還與基體類型、基體含量、成型工藝等因素有關。另外，由于纖維類型、織物及復合材料結構之間存在著差異，盡管玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、陶瓷纖維、尼龍、高強度聚乙烯等均可用于裝甲防護，但至今還沒有一個單一模型可以定量地描述彈道沖擊的過程，只能根據具體情況來討論。
就芳綸纖維而言，在彈體向前穿過靶板時，變形也在發展。早期時，靶板材料加速、壓縮、在彈體前擠壓并剪切；后期時，纖維受拉伸，進而分層，形成凹形。
試驗中，以AFRP為彈擊面時，由于鋼板為剛性體，它不會隨AFRP的變形而變形；相反，它會阻礙AFRP的形變，使其在未達到大應變前破壞，從而降低靶板整體的抗彈道沖擊性。
因此，為提高整體的防彈性能，宜采取鋼板背襯AFRP的結構形式。
4.2 界面對抗彈性的影響
?。?）織物對彈道性的貢獻
傳統彈道理論認為，織物對彈體的抗沖擊性是因為織物吸收了彈體沖擊的動能。彈體擊中靶板后產生應力波，應力波沿纖維軸向及縱向傳播。能量吸收速率是波速的函數，而波速又是纖維模量和密度的函數。要產生較高的波動速率，需要纖維有較高模量，從而需要犧牲纖維的斷裂延伸率。但是，并不是模量越高越好，模量的不斷提高會逐漸增加纖維的脆性，終降低纖維對應變能量的吸收。
芳綸纖維的抗彈道沖擊性應歸功于它優異的熱穩定性、高結晶性、高取向結構及高拉伸性能。玻璃化轉變溫度高和優異的熱穩定性使芳綸纖維在彈道沖擊所產生的高溫度下，可以保證抗沖擊結構的穩定性；高結晶、高取向性產生了高模量，保證了高的波動速率及對軸向變形的快速反應；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作。這些性能使芳綸纖維在受彈道沖擊時能有效的吸收軸向應變能和縱向動能。
?。?）纖維的表面處理
由于芳綸纖維結晶性好，纖維表面不活潑，與樹脂的浸潤性不好，從而界面接合力差，粘接界面不能很好地傳遞應力，受彈道沖擊時，引起嚴重分層現象，所以，必須對纖維表面進行處理，以改善界面強度。
(3)鋼板與AFRP的界面
這一問題主要涉及到鋼板的表面處理。鋼板只經過簡單的噴砂處理后，并不能達到理想的粘接強度；而且，鋼板短時間放置后，表面又會重新氧化，影響粘接效果。為此，我們用自制的復合溶液對噴砂后的鋼板進一步處理，改善鋼板與AFRP結構的界面。試驗證實，經復合溶液處理的鋼板彈擊后，沒有出現與AFRP結構的脫層現象；否則，脫層現象嚴重，影響整體的完整性與安全性。
4.3 樹脂基體的影響
雖然鋼板和纖維在整個靶板結構的彈道沖擊中起主要作用，但基體的影響也不可忽視?；w所起的作用有三：一是將纖維粘接在一起，使其成為受力整體；二是將能量從上一相鄰織物層傳遞到下一相鄰織物層，每一界面均起到反射應力波的作用。另外，基體在高速沖擊下產生裂紋，并沿織物平面擴展，終導致分層破壞，從而吸收部分動能。
復合材料層間粘接強度的高低取決于樹脂基體的韌性，其韌性越好，則復合材料層間粘接強度也就越高。
結合彈擊試驗結果可以看出，樹脂基體韌性越好，其抗彈性能也越好。
基體含量過高，整個結構剛性增加，受高速沖擊后纖維未達到大破壞應變就已斷裂，不能充分發揮織物的特性；樹脂基體含量過低，則界面粘接不牢固，不能有效地傳遞應力波，彈擊后，結構分層破壞嚴重，影響抗彈效果。試驗表明，樹脂基體含量在25%～35％時，抗彈效果好。
5 結 論
(1)纖維模量會對復合材料的能量吸收產生影響，高模量可以保證高的應變波速，但實際應用中，以中等模量為佳。
(2)對纖維表面進行處理，可以提高抗彈性。
(3)樹脂基體韌性好，復合材料層間粘接強度高，抗彈性能好；樹脂含量以25%～35％為宜。
(4)以鋼板為彈擊面的靶板抗彈性明顯好于以AFRP為彈擊面的靶板。
(5)對鋼板表面進行噴砂及復合溶液處理，界面粘接牢固，彈擊后安全性高。
