王 勇，李 靜，胡陽旭，郭瑞萍，鄭 斌

(北方科技信息研究所， 北京 100089)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

國外抗彈纖維及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展

王 勇，李 靜，胡陽旭，郭瑞萍，鄭 斌

(北方科技信息研究所， 北京 100089)

重點介紹了國外在玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、PBO和M5纖維及其它抗彈復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，包括材料的制備、改性、增強(qiáng)、力學(xué)和抗彈性能研究等。

抗彈纖維；復(fù)合材料；增強(qiáng)；力學(xué)性能

當(dāng)前，世界各國都在不斷研發(fā)和優(yōu)化各類新型抗彈材料，以增強(qiáng)車輛和單兵的彈道防護(hù)性能。高性能纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗彈性能優(yōu)異等特點，是研究最多、市場發(fā)展最快和最有前途的抗彈材料。以美國為代表的軍事發(fā)達(dá)國家特別關(guān)注高性能抗彈纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展，美國陸軍研究實驗室等國防科研機(jī)構(gòu)和受國防部資助的大學(xué)近些年開展了大量研究工作。本文主要介紹玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、PBO和M5纖維及其復(fù)合材料在國外的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀與性能水平。

1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)的拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長率大、沖擊性能好、抗疲勞、化學(xué)穩(wěn)定，不足之處是密度較大。GF復(fù)合材料是第一代較廉價的抗彈裝甲材料。美國“布雷德利”步兵戰(zhàn)車、俄羅斯T90S主戰(zhàn)坦克和印度“阿瓊”主戰(zhàn)坦克的裝甲都采用了GF夾層。美國海軍“黃蜂”級兩棲攻擊艦和俄羅斯“庫茲涅佐夫號”航母的干弦也采用了GF復(fù)合材料抗彈防護(hù)結(jié)構(gòu)。E-玻纖(E-GF)和S-2 玻纖(S-2 GF)是常被研究和應(yīng)用的兩種型號。S-2 GF比E-GF有更高的強(qiáng)度和延伸率。

Grujicic等[1]研究了S-2 GF增強(qiáng)酚醛樹脂/氧化鋁陶瓷裝甲的抗穿甲彈性能，發(fā)現(xiàn)此復(fù)合裝甲有極佳的陶瓷/復(fù)合材料面密度比，對穿甲彈有很高的抗彈性能。Raju Mantena等[2]研究了新一代艦船用GF聚合物基復(fù)合材料的抗爆炸沖擊性能，其制得的夾芯復(fù)合板由E-GF、Dow 510A-40溴化乙烯酯形成的面皮和Tycor、聚氯乙烯泡沫、輕木(Balsa)形成的核芯層構(gòu)成。

美國密歇根州立大學(xué)[3]對GF增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛研究，并向陸軍研究實驗室提交了報告。其制備了基于S-2 GF/SC-15環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料；研究了由正交平織GF氈布和環(huán)氧樹脂基體構(gòu)成的復(fù)合材料的尺寸效應(yīng)對高壓載荷下行為的影響；開發(fā)了基于GF的高抗沖三軸準(zhǔn)三維機(jī)織復(fù)合材料，并對其進(jìn)行沖擊測試表明，三軸準(zhǔn)三維復(fù)合材料的剛度比二維機(jī)織和層壓樣品分別高出12.5%和20%；通過樹脂傳遞模塑工藝制備了車輛防護(hù)板用玻璃纖維氈增強(qiáng)的SC-15環(huán)氧樹脂復(fù)合板，平均拉伸模量和拉伸強(qiáng)度分別為20.06 GPa和383.65 MPa，平均壓縮模量和壓縮強(qiáng)度分別為31.83 GPa和258.60 MPa，平均剪切模量和剪切強(qiáng)度分別為5.62 GPa和97.43 MPa，平均彎曲模量和彎曲強(qiáng)度分別為16.23和334.61 MPa；最后他們還利用S-2 GF氈布制得預(yù)制件，采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝對預(yù)制件浸漬SC-15環(huán)氧樹脂，生產(chǎn)出車用復(fù)合保險杠支架。

美國陸軍工程研發(fā)中心[4]還研究了負(fù)載碳納米管的E-GF復(fù)合材料的能量耗散和高應(yīng)變速率動態(tài)響應(yīng)。他們在E-GF氈上生長碳納米管，然后將負(fù)載碳納米管的E-GF氈與樹脂結(jié)合，形成復(fù)合材料。對材料進(jìn)行力學(xué)性能和彈道性能測試表明，負(fù)載碳納米管的復(fù)合材料在高應(yīng)變速率下比吸收能提高106%，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下5個循環(huán)周期后能量密度耗散提升64.3%，V50值提高11.1%。

2 芳綸纖維

芳綸纖維具有高比強(qiáng)度、高斷裂伸長率的特點，在相同面密度情況下，芳綸/樹脂復(fù)合材料的抗彈能力是GF /樹脂復(fù)合材料的2～3倍，在很多領(lǐng)域可全面替代GF /樹脂復(fù)合材料。

美國克萊姆森大學(xué)聯(lián)合陸軍研究實驗室等機(jī)構(gòu)[5]采用傳統(tǒng)有限元法對Kevlar KM2抗彈纖維氈進(jìn)行數(shù)值分析，用以確定材料的穿透阻力和對沖擊的整體撓曲、變形、破壞響應(yīng)。該團(tuán)隊的Grujicic等[6]還進(jìn)一步對平織Kevlar纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的彈道沖擊/爆炸防護(hù)計算分析模型進(jìn)行了優(yōu)化升級。2014年，Grujicic等[7]又研究了PPTA(聚對苯二甲酰對苯二胺)基材料微結(jié)構(gòu)/性能的關(guān)系，開發(fā)出多長度尺度計算方法，來確定不同尺度上各種微結(jié)構(gòu)特征對PPTA基氈布或PPTA纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的宏觀彈道抗侵徹性能的影響。

意大利卡西諾和南拉齊奧大學(xué)Sorrentino等[8]將Kevlar29平紋織氈與熱固性樹脂復(fù)合制成層壓材料，并對制備的復(fù)合裝甲進(jìn)行了Walker數(shù)值模型預(yù)測和彈道性能測試。美國陸軍研究實驗室O’Brien等[9]以扁平條帶狀透明尼龍單絲為增強(qiáng)體、以與之折射率相匹配的透明環(huán)氧樹脂為基體制備出一種透光率約為40%的復(fù)合材料，并對材料進(jìn)行彈道實驗，所得材料V50值大于305 m/s，遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯。

美國桑迪亞國家實驗室Song等[10]研究了加捻(twist)對Kelvlar KM2抗彈纖維紗橫向沖擊性能的影響，并利用高速攝像機(jī)測量了由沖擊引發(fā)的歐拉橫波速度。結(jié)果表明，歐拉橫波速度隨纖維紗加捻數(shù)量的提高而提高，意味著更高的彈道性能。因此，在抗彈纖維氈中使用加捻的纖維紗能提升材料的彈道性能。Wong等[11]研究了磁場對芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維彈道性能的影響。研究者分別將芳綸纖維(Kevlar K29)和超高分子量聚乙烯纖維夾在兩組相反的稀土磁體之間，測試磁場斥力對材料彈道性能的作用。結(jié)果表明，磁場斥力能抑制子彈進(jìn)入芳綸纖維的前面板。

對芳綸纖維進(jìn)行納米改性或?qū)ζ鋸?fù)合材料納米填充也會改善抗彈性能。Sodano等[12]通過在Kevlar纖維表面生長垂直的ZnO納米線來增強(qiáng)界面強(qiáng)度。纖維的界面強(qiáng)度比裸纖維提高了96.9%，拔出測試的峰值載荷提升達(dá)6.5倍。ZnO納米線強(qiáng)化了Kevlar纖維的拔出性能，進(jìn)而也提高材料的彈道沖擊保護(hù)水平。Manero II 等[13]研究了納米顆粒填充劑對Kevlar29抗沖擊復(fù)合材料的影響，對研磨碳纖維和納米顆粒(碳納米管和核殼橡膠顆粒)同時填充的Kevlar29纖維復(fù)合材料進(jìn)行了V50彈道測試。結(jié)果顯示，納米核殼橡膠顆粒填料由于空穴作用對沖擊過程中的能量吸收有效，同時也使彈道性能顯著提高。碳納米管填料能提高基體-纖維的界面性能，也使得彈道性能有顯著提高。二者對復(fù)合材料的V50抗彈性能有增強(qiáng)作用。復(fù)合材料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的研磨碳纖維并添加1%的納米顆粒，能將V50相對于參照樣品分別提高7.3%(碳納米管)和8%(核殼橡膠顆粒)。

3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維密度小、抗吸濕性能好、斷裂伸長率較高，是目前已經(jīng)商業(yè)化的比強(qiáng)度最好的纖維之一。Dyneema(迪尼瑪)是荷蘭帝斯曼迪尼瑪公司生產(chǎn)的一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，是未來作戰(zhàn)系統(tǒng)實現(xiàn)輕質(zhì)、防護(hù)性能的主要商用材料之一。該公司推出的由迪尼瑪HB26聚乙烯纖維增強(qiáng)的硬質(zhì)輕型防彈復(fù)合材料，其強(qiáng)度比芳綸強(qiáng)40%。美國Hardwire LLC公司使用迪尼瑪HB26和HB50超高分子量聚乙烯纖維開發(fā)并演示了一種車輛防爆系統(tǒng)。

國外對Dyneema 纖維及復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究。Sanborn等[14]采用直接抓緊法測試了Dyneema SK76單纖維在多重負(fù)載速率下的拉伸性質(zhì)，解決了由于纖維直徑太小和表面能太低而難以用傳統(tǒng)的黏著法進(jìn)行準(zhǔn)確測量的問題。Greenhalgh等[15]研究了不同Dyneema HB26正交層壓復(fù)合層板在彈道沖擊下的顯微斷面，推導(dǎo)出沖擊過程中層離、層開裂和纖維扭折等失效模式的發(fā)生順序，得到主要的能量吸收斷裂過程，并確定這些過程如何受制備條件和目標(biāo)響應(yīng)的影響。Karthikeyan等[16]研究了不同面密度的HB26層壓板的損傷力學(xué)和界面作用，以評價材料的極限速度和失效機(jī)理。O’Masta等[17]對分別采用Dyneema超高分子量聚乙烯纖維和分子取向條帶增強(qiáng)的HB50和BT10m兩種復(fù)合層壓板的連續(xù)侵徹變形和斷裂機(jī)制進(jìn)行了研究，探討了HB50纖維和BT10m條帶增強(qiáng)的區(qū)別。Rosso等[18]使用Dyneema?SK75、Dyneema?SK76和Kevlar?49制造了具有不同偏度和構(gòu)型的微編織物，通過一系列沖擊測試評估了不同微編織物增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的彈道性能。結(jié)果顯示，微編織物增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的彈道極限比由單向纖維制造的正交層壓復(fù)合材料提高了近20%。

Sapozhnikov等[19]比較了不同結(jié)構(gòu)的均質(zhì)、雜化熱塑性復(fù)合材料在不同溫度下的破片彈道性能。這些復(fù)合材料體系的構(gòu)成分別為多層芳綸氈布(Twaron?, RUSLAN?-SVM)/低密度聚乙烯基體復(fù)合層壓板、基于Dyneema(HB2，HB80)的多層超高分子量聚乙烯體系、以及雜化的芳綸/Dyneema HB2、Dyneema HB2/Dyneema HB80層壓板。結(jié)果表明，溫度對芳綸氈布/低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的V50值影響較小，但在低溫下實驗數(shù)據(jù)的發(fā)散性提高。在高速沖擊下，基于超高分子量聚乙烯纖維的層壓板的V50值和吸收能優(yōu)于其他材料。但當(dāng)射彈速度超過彈道極限時，其能量吸收能力急劇下降。

此外，Zhou等[20]還研究了紗線抓持(yarn gripping)對超高分子量聚乙烯織氈彈道性能的影響，闡明了通過創(chuàng)建新型織氈結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)紗間摩擦的可行性。Nguyen等[21]研究了不同厚度的超高分子量聚乙烯復(fù)合板針對兩種口徑破片模擬彈的彈道性能。研究表明，隨著靶板厚度的增大，樣品呈現(xiàn)兩段侵徹過程：第一階段是初始的剪切沖塞，侵徹發(fā)生在纖維剪切中，靶板不發(fā)生撓曲；第二階段是凸起，亞層脫離靶板并在纖維拉伸中經(jīng)受了大的撓曲和侵徹。研究人員對侵徹的兩個階段進(jìn)行了仔細(xì)研究，并開發(fā)出一個分析模型對之描述。

4 碳纖維

碳纖維的楊氏模量通常是傳統(tǒng)玻璃纖維的三倍多，是Kevlar纖維的兩倍左右，在軍事裝備的輕量化和提高生存性方面有重要應(yīng)用潛力。2015年，美國喬治亞理工學(xué)院Chae等[22]開發(fā)出一項基于聚丙烯腈(PAN)紡絲技術(shù)的凝膠紡絲連續(xù)碳纖維制備新工藝，制得的 PAN基碳纖維的平均拉伸強(qiáng)度在5.5～5.8 GPa之間，拉伸模量在354～375 GPa之間，拉伸模量比廣泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纖維高出25-36%。其具備的強(qiáng)度和模量組合是PAN基連續(xù)碳纖維的最高值組合。未來通過優(yōu)化材料和工藝，PAN基碳纖維的強(qiáng)度和模量將會得到更大的同步提高。

Wang等[23]研究了Hexcel碳纖維復(fù)合材料在受到彈道沖擊時結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。使用不同口徑的射彈在低速和高速沖擊下對材料進(jìn)行彈道測試，觀測了試樣的損傷程度，然后制備沖擊后的拉伸、壓縮和剪切試樣，并進(jìn)行力學(xué)測試。結(jié)果顯示，在明顯高于彈道極限的沖擊速度下，具有彈道沖擊損傷的試樣殘余強(qiáng)度顯著低于原始樣品，但并不顯著低于具有與射彈相同口徑的機(jī)械加工孔的試樣。研究碳纖維聚合物復(fù)合材料的彈道損傷對飛機(jī)設(shè)計和損傷修復(fù)非常重要。

Lawrence等[24]致力于針織碳纖維(T300)復(fù)合材料的研究，目的是通過開發(fā)針織技術(shù)減少材料面內(nèi)性能的衰減，這些面內(nèi)性能都與沿厚度方向的增強(qiáng)技術(shù)有關(guān)，包括Z向增強(qiáng)技術(shù)、縫綴和簇絨技術(shù)等。研究人員開發(fā)出獨特的內(nèi)部針織加工工藝，可以使z向纖維以不同的角度(±45/90°)嵌入到復(fù)合層壓板內(nèi)部，并有效減少拉伸強(qiáng)度的損失，顯著提升壓縮強(qiáng)度。

5 玻纖-碳纖雜化

Boyd等[25]研究了熱塑性聚氨酯夾層膜片增韌的碳纖-玻纖/環(huán)氧樹脂雜化復(fù)合材料的多沖擊耐久性，具體內(nèi)容包括熱塑性聚氨酯(TPU)夾層增韌的無褶皺IM7碳纖-S2玻纖雜化復(fù)合層壓板的制備工藝及其對沖擊性能的影響。結(jié)果顯示，通過真空輔助樹脂傳遞模塑和固化/后固化工藝可以成功制備TPU增韌的雜化材料，且過程幾乎沒有或很少有扭曲和缺陷。樣品在沖擊測試中表現(xiàn)出良好的性能，但仍需開發(fā)模型以充分研究TPU夾層的增強(qiáng)機(jī)制。

為研究三維編織結(jié)構(gòu)對材料力學(xué)性能的影響，Justusson等[26]對制備的碳纖-玻纖三維雜化織物復(fù)合材料及其SC-15環(huán)氧樹脂基體進(jìn)行了力學(xué)測試。研究發(fā)現(xiàn)，編織構(gòu)型對兩種復(fù)合材料在拉伸負(fù)載下的失效至關(guān)重要；碳纖/玻纖雜化復(fù)合材料在兩個方向上表現(xiàn)較不平衡，在經(jīng)紗方向的強(qiáng)度和模量比緯紗方向高許多，且在經(jīng)、維方向上的失效類型不同。

6 PBO纖維

PBO(聚對-亞苯基苯并雙噁唑)纖維最初由美國空軍研發(fā)，后來的Zylon產(chǎn)品由日本Toyobo公司制造，PBO纖維被稱為是可替代芳綸纖維的未來超高性能纖維，這種纖維密度比芳綸低，而力學(xué)性能和耐環(huán)境性能遠(yuǎn)優(yōu)于Kevlar和其他芳綸纖維。

2006年，美國加利福尼亞大學(xué)與美國陸軍簽訂合同，進(jìn)行彈道試驗以確定Zylon纖維的抗彈性能。結(jié)果表明，Zylon纖維比Kevlar 29性能更好，用于裝甲，會有效增強(qiáng)防護(hù)性能和機(jī)動性。盡管PBO纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)高模等優(yōu)點，但在防護(hù)應(yīng)用中受限于使用過程的力學(xué)性能退化。為解決此問題，Tamargo-Martínez等[28]開發(fā)了一種超臨界CO2化學(xué)試劑擴(kuò)散后處理工藝來處理PBO纖維，以降低其力學(xué)性能衰退速度，延長使用壽命。美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Lesser[29]對超臨界CO2后處理穩(wěn)定化PBO纖維進(jìn)行了研究，以超臨界CO2作為提取劑萃取PBO纖維上殘存的磷酸和水分，并以之為媒介引入多種物質(zhì)中和磷酸，減弱水和酸對PBO纖維的降解作用。

抗彈纖維的疊絲可能是性能衰減的一個因素。McDonough等[30,31]研究了折疊對抗彈PBO纖維性能衰減的作用，通過實驗確定了這種失效機(jī)制對裝甲防護(hù)性能的影響。他們還進(jìn)一步研究了折疊對抗彈纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響[32]。日本Horikawa等對PBO纖維做了大量研究，例如，他們研究通過熱處理來提高高模PBO纖維的拉伸和疲勞強(qiáng)度，研究剪切速率對高模PBO纖維拉伸強(qiáng)度的影響等[33-36]。

7 M5纖維

M5(聚2,5-二羥基-1,4苯撐吡啶并二咪唑)纖維是由Akzo Nobel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)與PBO相似，但分子中含有羥基，故大分子鏈間可以形成氫鍵，壓縮性能比PBO要好。

美國特拉華大學(xué)曾與陸軍研究實驗室一起對M5纖維進(jìn)行了系列基礎(chǔ)研究。首先，對M5纖維內(nèi)分子間氫鍵的形成進(jìn)行了紅外光譜分析和動力學(xué)研究，結(jié)果表明熱處理促進(jìn)了纖維內(nèi)聚合物鏈間的氫鍵的生成，計算得出分子鏈間的氫鍵形成活化能為14.8 kJ/mol[37]；又對比研究了M5、Kevlar KM2和Armos三種高性能纖維的界面行為，結(jié)果顯示，M5表現(xiàn)出比其他纖維更高的界面剪切強(qiáng)度[38]；還研究了氫鍵和水分循環(huán)對M5纖維壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)氫鍵的增多將導(dǎo)致纖維壓縮強(qiáng)度升高，水分循環(huán)實驗揭示了材料中部分氫鍵的可逆性[39]。

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ResearchProgressinBallisticFibersandCompositesinForeignCountries

WANG Yong, LI Jing, HU Yangxu, GUO Ruiping, ZHENG Bin

(North Institute for Scientific & Technical Information, Beijing 100089, China)

We highlight the current research state of glass fibers, aramid fibers, ultra high molecular weight polyethylene fibers, carbon fibers, PBO fibers and M5 fibers in foreign countries, as well as their composites, involving material preparation, modification, strengthening, mechanical and ballistic performance characterization.

ballistic fiber; composite; strengthening; mechanical performance

2017-09-12；

2017-09-30

王勇，男，博士，助理研究員，主要從事兵器材料情報研究。

10.11809/scbgxb2017.12.033

本文引用格式：王勇，李靜，胡陽旭，等.國外抗彈纖維及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):146-150.

formatWANG Yong, LI Jing, HU Yangxu, et al.Research Progress in Ballistic Fibers and Composites in Foreign Countries[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):146-150.

TJ04

A

2096-2304(2017)12-0146-05

(責(zé)任編輯唐定國)