龍 浩，尚武林，張二勇，楊 威

（連云港神鷹復(fù)合材料科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

恐怖襲擊和局部戰(zhàn)爭在世界范圍內(nèi)仍時有發(fā)生，士兵或警員被子彈擊中致死的比例較高，因此，世界各國都在不斷研制、優(yōu)化各類新型防彈材料。高性能纖維復(fù)合材料綜合了纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和特種樹脂基體的抗沖擊性等優(yōu)點，是理想的防彈材料。

目前，工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維主要有對位芳香族聚酰胺纖維（芳綸纖維）、超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）纖維和碳纖維。芳綸纖維的比強(qiáng)度和比模量是鋼鐵的10倍，而UHMWPE的比強(qiáng)度又高出芳綸纖維1.5倍。單根纖維或束絲并不能起到防彈的作用，將纖維按一定的規(guī)律排列整合，才能有效地抵御彈丸或破片的傷害。將纖維整合起來主要有兩種途徑，機(jī)織布和無緯布，前者是通過織機(jī)進(jìn)行編織，后者則是由單向復(fù)合工藝制成。

對于超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維，荷蘭DSM公司由SK60、SK65發(fā)展到SK75、SK76。聯(lián)合信號公司則有S900、S1000、S2000等品種。1986年，美國聯(lián)合信號公司得到荷蘭DSM公司專利許可后，開始以Spectra為商標(biāo)生產(chǎn)一種強(qiáng)度更高的纖維—UHMWPE。前者標(biāo)志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對防彈機(jī)理的認(rèn)識，極大地拓展了防彈材料的空間；后者則加速了防彈材料向輕量化、舒適化的方向發(fā)展。

彈丸或破片擊中織物后，產(chǎn)生的應(yīng)變波分為縱向波和橫向波，縱向波的交接點可將應(yīng)力傳給輔助纖維，橫向波產(chǎn)生的位移也通過交接點使邊緣纖維承受傳導(dǎo)的應(yīng)力。彈道學(xué)試驗表明，40%～50%的能量被輔助纖維所吸收。所以，織物的交接點越多，能量被吸收得越多，防彈性能越好。因此，防彈織物的編織方式較多地采用平紋而非斜紋。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在破片的高速沖擊下，材料的應(yīng)變率效應(yīng)必須要考慮，因此，有必要開展UHMWPE、碳纖維及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性測試。東華大學(xué)[1]和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)[2]等科研單位也在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能測試方面做了很多卓有成效的工作。由于不同廠家的生產(chǎn)工藝不同、采用的基體材料不同，復(fù)合材料成型工藝也有一定差異。

目前，對彈丸和破片侵入防彈材料及人體靶標(biāo)的數(shù)值計算研究有一定困難，一方面是由于復(fù)合材料的力學(xué)特性較難準(zhǔn)確模擬，另一方面是由于缺乏準(zhǔn)確的生物軟組織動態(tài)力學(xué)模型及參數(shù)。生物軟組織的波阻抗很低，傳統(tǒng)霍普金森桿設(shè)備無法直接用來測量這類軟材料的動態(tài)力學(xué)特性。蔡志華等[3]建立了一個帶堿式氯化鋁（Aluminum Chlorohydrate，ACH）材料的人體有限元模型，采用黏彈性材料人體模型來模擬力學(xué)響應(yīng)。通過仿真研究，重點分析了手槍彈侵損該模型過程中，有無泡沫襯墊和泡沫襯墊厚度對人體損傷的影響。在有泡沫作用下，身體組織壓力峰值降低了20.6%，材料背凸變形量減少了約10.0%；使用6 mm厚泡沫襯墊時顱骨出現(xiàn)了骨折，而使用12 mm厚泡沫時，身體組織壓力峰值減少了50.0%。

在試驗研究方面，對不同材料和結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行彈道測試的研究較多，主要通過極限穿透速度（V50）和材料內(nèi)部膠泥凹陷深度來評估材料的防護(hù)性能。美國陸軍實驗室一直在研究如何對UHMWPE材料的V50性能和內(nèi)部鼓包高度進(jìn)行優(yōu)化，并提出了一種新的復(fù)合結(jié)構(gòu)：在前75%厚度采用0/90鋪層方式，在后25%厚度按照每兩層相對于前兩層以順時針旋轉(zhuǎn)22.5°的鋪層順序。研究表明，在使用Dyneema?HB25材料時，相比于傳統(tǒng)正交鋪層順序，采用該方法生產(chǎn)的試驗樣品V50性能下降了10%，但是內(nèi)部背凸高度減小了45%。當(dāng)采用Spectra Shield? II SR-3136材料時，V50性能沒有降低，但內(nèi)部背凸高度減小了40%。

材料的V50和內(nèi)部背凸高度這兩個指標(biāo)并不能直觀地用于評價由此造成的人體損傷，因此需要建立一個可用于測試人體鈍擊動態(tài)響應(yīng)特性的人體模擬靶標(biāo)。由于人體組織器官較多，這就增加了模型建立的難度。唐劉建[4]在研究防彈衣后鈍性損傷時，建立“明膠-胸廓”人體模擬靶標(biāo)，通過在靶標(biāo)內(nèi)放置加速度傳感器、壓力傳感器來獲取鈍擊過程中人體典型部位的動態(tài)響應(yīng)特性。在鈍擊情況下，防彈材料瞬時背凸經(jīng)常造成人體骨折，進(jìn)而對身體組織等重要器官產(chǎn)生損傷，嚴(yán)重時甚至能造成人員死亡。

2 主要研究材料及方法

2.1 防彈纖維及其復(fù)合材料力學(xué)特性測試

采用萬能材料試驗機(jī)和霍普金森桿（Split Hopkinson Tension Bar，SHTB）分別進(jìn)行UHMWPE纖維、CF纖維、基體及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性測試。傳統(tǒng)霍普金森桿設(shè)備主要用于測試金屬材料在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)特性。霍普金森設(shè)備的桿件一般采用GCr15軸承鋼制作，直徑在14.5～19.0 mm，可以測量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動態(tài)拉伸和壓縮性能。

隨著沖擊生物力學(xué)研究的不斷發(fā)展，需要能夠準(zhǔn)確測量生物材料在高應(yīng)變率下動態(tài)力學(xué)性能的手段與方法。生物軟材料的低波速和低波阻抗性質(zhì)給其動態(tài)力學(xué)性能測試帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。雖然科技人員采用低波阻抗桿、高靈敏度傳感器等方法在一定程度上提高了透射信號的信噪比，但是在軟組織材料測試中實際需要解決的問題仍比金屬材料測試難很多。

2.2 復(fù)合防彈材料防護(hù)性能數(shù)值模擬

建立復(fù)合防彈材料數(shù)值計算模型，研究各項異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬方法。以人體幾何模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立包含頭骨、大腦、小腦等人體典型組織結(jié)構(gòu)的人體有限元模型。開展彈丸和破片損傷防彈材料人體模型的鈍擊效應(yīng)數(shù)值計算，為材料防護(hù)性能評估和人體損傷評估提供定量數(shù)據(jù)，為防彈材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

建立防彈材料的三維幾何模型，采用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。分別劃分兩種有限元方案，一種基于宏觀力學(xué)用每個單元模擬纖維和基體的宏觀力學(xué)性能，另一種基于微觀力學(xué)將纖維和基體分別采用不同的單元模擬?；谖覈梭w模型大數(shù)據(jù)，在Mimics軟件中構(gòu)建人體幾何模型，再采用Ansys/ICEM CFD軟件中對獲得的幾何模型進(jìn)行表面優(yōu)化。將防彈材料與人體有限元模型裝配組成鈍擊效應(yīng)數(shù)值計算模型，并在LS-Dyna軟件的前處理器中定義初始條件、邊界條件和接觸類型等求解信息，通過與試驗結(jié)果對比來校驗和完善數(shù)值模型。通過改變防彈材料碳纖維復(fù)合材料層的有限元網(wǎng)格和材料參數(shù)來模擬不同編織方式對材料穿透深度、背部瞬態(tài)凸起和壓力波等鈍擊特征量的定量影響規(guī)律。

2.3 復(fù)合防彈材料防護(hù)性能測試

制作人體模擬靶標(biāo)實物模型，并建立瞬態(tài)多參數(shù)同步測量系統(tǒng)；開展槍彈和破片以不同速度、不同角度侵入帶材料人體模型彈道沖擊試驗；獲取瞬態(tài)變形、加速度、壓力波等典型特征量，為材料防護(hù)性能驗證和數(shù)值模型驗證提供必要的數(shù)據(jù)。

靜態(tài)力學(xué)測試采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行，主要測量兩種纖維及其復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、壓縮和剪切特性。UHMWPE纖維、碳纖維、樹脂及其復(fù)合材料強(qiáng)度不同，需在不同噸位萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。

采用霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）裝置和高屈服強(qiáng)度、高彈性模量的特種合金鋼材質(zhì)的加載桿，測量UHMWPE無緯布和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動態(tài)壓縮性能。采用霍普金森拉桿（SHTB）裝置、合金鋼加載桿和特制的試樣拉伸夾具，測量UHMWPE纖維、UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動態(tài)拉伸力學(xué)特性。SHPB和SHTB試驗裝置如圖1所示。

圖1 霍普金森壓桿（SHPB）

2.4 復(fù)合防彈材料實彈實驗

高速投射物對有防護(hù)下均質(zhì)明膠靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)試驗和數(shù)值研究如圖2所示。試驗結(jié)果的重復(fù)性較好，給出了明膠內(nèi)瞬時凹陷和壓力波隨時間的變化規(guī)律，仿真結(jié)果基本再現(xiàn)了試驗的主要現(xiàn)象，但具體數(shù)值與試驗誤差較大。這主要是由于UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和彈道明膠的本構(gòu)模型和材料參數(shù)不夠準(zhǔn)確。

圖2 高速攝影拍攝的明膠內(nèi)沖擊凹陷隨時間變化情況

3 結(jié)語

采用材料力學(xué)試驗、數(shù)值模擬計算和彈道沖擊試驗相結(jié)合的方法開展新型UHMWPE/CF復(fù)合防彈材料防護(hù)性能研究。在獲取復(fù)合材料和人體模擬材料準(zhǔn)確力學(xué)特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)計方案優(yōu)選，從而幫助企業(yè)節(jié)約研制成本、加快研發(fā)進(jìn)度。建立人體模擬靶標(biāo)和人體有限元靶標(biāo)，獲取鈍擊過程中人體的加速度、壓力波和應(yīng)力分布等特征參數(shù)，為科學(xué)合理地評估材料防護(hù)性能和人體損傷嚴(yán)重度奠定基礎(chǔ)。