唐 平，曹紅錦，李佳蒙，羅明文,陳 秦

(西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039)

在過去幾十年中，人們對(duì)于以“綠色材料”替代合成材料越來越感興趣。這些綠色材料不但可回收利用，生物降解，還是環(huán)境友好型材料[1-2]。在這種潮流之下，天然纖維，尤其是源于植物的纖維(又稱天然木質(zhì)纖維素纖維)，越來越多地吸引了天然纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在若干應(yīng)用領(lǐng)域研究的注意力。這是由于天然材料相對(duì)合成纖維有各類性能優(yōu)勢，例如原料豐富，可回收，生產(chǎn)成本低，具有生物降解性和可再生性。其中一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域在過去十年中進(jìn)入了人們的視線：將天然木質(zhì)纖維用于防彈領(lǐng)域，作為多層防護(hù)裝甲(特指便攜式防護(hù)背心)的一部分[3-7]。

1 抗彈結(jié)構(gòu)原理及抗彈材料性能分析

1.1 抗彈結(jié)構(gòu)原理

為了滿足多層防護(hù)裝甲(特指便攜式防護(hù)背心)最大程度地吸收子彈及其他射體動(dòng)能的要求，多層防護(hù)裝甲通常由較硬的前陶瓷片組成，陶瓷片具有使彈丸變形和侵蝕/使其斷裂功能。由于這種前陶瓷層的存在，高能彈丸一旦擊中前陶瓷片的正面，壓縮波就會(huì)傳播并到達(dá)陶瓷片的背面。此時(shí)，部分壓縮波反射為張力脈沖，從而破壞陶瓷片，陶瓷破片通過斷裂、形變而消耗彈丸大部分能量[8-10]。多層防護(hù)裝甲的第二層通常是較輕的復(fù)合材料，通過吸收部分破片(彈丸或陶瓷)的動(dòng)能，降低更多的沖擊波。擴(kuò)散子彈及彈射物剩余部分的能量，并起到緩沖的作用，從而盡可能地降低了非貫穿性損傷，在這兩次防彈過程中，前一次發(fā)揮著主要的能量吸收作用，大大降低了射體的侵徹力，是防彈的關(guān)鍵所在[11]。最后屏障的第三韌性金屬層，進(jìn)一步限制了彈丸或其破片的穿透深度超過最大標(biāo)準(zhǔn)深度44 mm(NIJ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超過該深度值，穿透可能會(huì)對(duì)裝甲穿戴者造成嚴(yán)重的鈍挫傷)，避免了對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害[12-13]。

1.2 抗彈材料的抗彈性分析

隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，多層防護(hù)裝甲第二層多以凱夫拉(Kevlar)和特瓦綸(Twaron)等芳綸纖維以及超高分子聚乙烯纖維強(qiáng)化材料為輕型防彈衣復(fù)合材料的首選。其中，與合成纖維相比，芳綸纖維(Kevlar49)強(qiáng)度最高，為3 600～4 100 MPa、硬度最高，為131 GPa、纖維材料直徑相對(duì)較細(xì)，為10～20 μm、密度較低，為1.4 g/cm3。凱夫拉(Kevlar)復(fù)合材料通過纖維從基質(zhì)中剝離的方式吸收剩余彈丸或陶瓷破片的部分能量。此外，纖維拉伸及其彎曲變形和最終斷裂也符合相關(guān)的吸收機(jī)理。在最近的研究結(jié)果顯示：多層防護(hù)系統(tǒng)中膠合芳綸纖維可消散7.62 mm口徑高速彈藥的沖擊能量是單獨(dú)纖維的20倍。研究發(fā)現(xiàn)，大量芳綸纖維碎片上的多層防護(hù)裝甲前陶瓷板能夠吸收36%的沖擊能量。

如果沒有作為多層防護(hù)裝甲(防彈衣)主要防護(hù)的前陶瓷板，需要相當(dāng)大數(shù)量(20～50)的芳綸纖維層才可防護(hù)相對(duì)較高能量的彈丸[14]。由于體積和硬度限制了多層防護(hù)裝甲(防彈衣)的舒適性和機(jī)動(dòng)性，因此這種整體復(fù)合材料還未應(yīng)用于對(duì)抗重型彈藥的防彈衣。一個(gè)完整的多層防護(hù)裝甲系統(tǒng)也包括作為最后屏障的第三韌性金屬層。這進(jìn)一步限制了彈丸或其破片的穿透深度超過最大標(biāo)準(zhǔn)深度44 mm，避免了對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害。在某些情況下，為了避免破裂的陶瓷破片，在裝甲的前部會(huì)附加一個(gè)防碎層[10]。

中間復(fù)合材料層作為防彈背心的較輕部件，不僅為穿戴者提供了舒適性和機(jī)動(dòng)性，而且提高了彈丸沖擊的吸收效率。的確，彈丸撞擊后會(huì)產(chǎn)生壓縮波并穿過幾層多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)。在不同材料(陶瓷/復(fù)合材料/金屬)之間的接合面，傳播的能量脈沖根據(jù)兩層的阻抗，以張力波或壓縮波的形式反射回來[15]。當(dāng)一個(gè)較低的沖擊阻抗復(fù)合材料位于接合面后方時(shí)，所產(chǎn)生壓縮波的透射能相對(duì)較低。由于沖擊阻抗與材料密度直接相關(guān)，因此應(yīng)由支撐陶瓷片的相對(duì)較輕的復(fù)合材料提供更大的彈道沖擊能量吸收。典型的多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)材料包括密度為3.7 g/cm3左右的Al2O3瓷片，其中間層是1.4 g/cm3的芳綸纖維復(fù)合材料，最后一層是2.7 g/cm3的鋁板。為了使多層裝甲更具防護(hù)和輕便性，研究發(fā)現(xiàn)，用低密度的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料——天然纖維增強(qiáng)的輕質(zhì)聚合物復(fù)合材料代替芳綸纖維是提高多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)的另一理想選擇，即采用從植物中提取的天然纖維，也稱為木質(zhì)纖維素纖維，該纖維具有可再生、可降解、可回收、二氧化碳排放適中等特性，污染小。此外，在加工過程中，這種纖維不像玻璃、碳和芳綸等合成纖維那樣耗能較大[16]。因此，該植物纖維與合成樹脂進(jìn)行復(fù)合制成低密度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，該材料除密度更低之外，制品更具抗伸強(qiáng)度和抗擊韌性，成本也更低，而且公認(rèn)具有環(huán)保性。

2 典型植物纖維的防彈性原理研究

比利時(shí)魯汶大學(xué)Wambua等[16]對(duì)天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的防彈性能進(jìn)行系統(tǒng)性研究。他們針對(duì)46 vol%(體積百分比)的亞麻纖維、大麻類植物或黃麻平紋織物增強(qiáng)的聚丙烯作為基體。其復(fù)合材料板中有12.9 mm厚的亞麻和黃麻纖維以及6.9 mm厚的大麻類植物，分別用1.5 mm和0.8 mm厚的低碳鋼板覆蓋或夾覆。采用直徑5.385 mm合金鋼制作、用于模擬彈丸的鑿頭破片進(jìn)行了防彈沖擊試驗(yàn)。作為主要的研究目標(biāo)之一，Wambua等[17]的研究報(bào)告中雖然提供了與天然纖維復(fù)合材料有關(guān)的彈道沖擊速度和能量信息，但并未對(duì)其作為人體防護(hù)裝甲的系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估?；谏鲜鲞@種情形，巴西材料學(xué)軍事工程研究所首先把菠蘿族植物、錦葵屬植物、巴西櫚3種天然植物從纖維束中分離出纖維(圖1、圖2、圖3)，在60 ℃的實(shí)驗(yàn)室爐中干燥2 h，并在120×150 mm鋼模中以正確的數(shù)量對(duì)齊放置，錦葵屬植物纖維與菠蘿屬植物纖維都并沿長度方向手工鋪設(shè)30 vol.%的連續(xù)對(duì)齊的植物纖維，而巴西櫚纖維以50%的體積百分比)按90°正交鋪設(shè)纖維，再將液態(tài)樹脂(主要成分以雙酚A環(huán)氧甘油醚(DGEBA)環(huán)氧與化學(xué)計(jì)量的13%三乙烯四胺(TETA)混合作為催化劑，或以不飽和鄰苯二甲酸酯混合0.5%甲乙酮作為硬化劑)傾倒在模具中，施加3～5 MPa 的壓力(菠蘿纖維一般為5 MPa，另外兩種為3 MPa)，使復(fù)合板固化24 h，從而制備成天然纖維復(fù)合板(如圖3(b))，并分別對(duì)三種天然植物纖維復(fù)合板進(jìn)行抗彈性能研究。

圖1

圖2 采用 50%(體積百分比)巴西櫚纖維(90°正交鋪設(shè)纖維)復(fù)合材料的MAS

圖3 菠蘿族植物纖維束(a) 和植物纖維強(qiáng)化的菠蘿族植物復(fù)合材料板(b)

2.1 天然菠蘿族植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[20]

菠蘿族植物纖維的密度為0.92 g/cm3、平均直徑為50 μm、抗張強(qiáng)度為1 250～3 000 MPa、彈性模量為27～80 GPa[18]。菠蘿族植物纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的沖擊能可達(dá)到150 J/m以上[19]。然后采用粘土塊模擬人體，對(duì)不同類型的多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)的靶材進(jìn)行了10次試驗(yàn)，并通過Weibull統(tǒng)計(jì)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。按照NIJ 0101.03和NIJ 0101.04標(biāo)準(zhǔn)，所有試驗(yàn)均使用7.62×51 mm NATO軍用彈藥進(jìn)行。

該彈道試驗(yàn)通過彈體穿透模擬人體的凹陷水平來研究陶瓷、芳綸纖維、菠蘿族植物纖維復(fù)合材料和鋁層組成的多層裝甲的防彈性能。使用Al2O3前片進(jìn)行了大量的多層防護(hù)裝甲系統(tǒng)的沖擊試驗(yàn)。防護(hù)裝甲中間層，采用了輕質(zhì)菠蘿族植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板(環(huán)氧樹脂或聚酯基體)與普通環(huán)氧樹脂或聚酯板和芳綸纖維的防彈性能(厚度相同)進(jìn)行了研究。通過單獨(dú)的沖擊試驗(yàn)對(duì)每一種材料的作用加以評(píng)估，彈道測試評(píng)估如表1、表2、表3所示。

表1 不同多層裝甲的粘土證據(jù)塊的平均凹陷深度

表1列出了不同MAS靶材的彈道測試數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)表明，菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料作為MAS的第二層，具有其他研究對(duì)象(包括芳綸纖維)無法比擬的防彈性能。

表2 不同多層裝甲的質(zhì)量和成本評(píng)估

表3 多層裝甲系統(tǒng)部件單獨(dú)彈道試驗(yàn)中的沖擊和剩余速度以及內(nèi)部耗散能量

表2顯示出使用菠蘿族植物纖維復(fù)合材料的多層防護(hù)裝甲的總質(zhì)量減少5%以上。此外，相應(yīng)的總成本下降了31%以上。在實(shí)際應(yīng)用中，菠蘿族植物/環(huán)氧復(fù)合材料優(yōu)異的防彈性能與芳綸相比，質(zhì)量輕5%、成本降低31%，其顯現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、所帶來的市場潛力和長期耐候性，使其在作戰(zhàn)人員多層防護(hù)裝甲背心上的應(yīng)用前景廣闊。

表3，陶瓷片內(nèi)部耗散能量為1920 J，為最高值，而芳綸纖維的耗散能量最低(58 J)。這證實(shí)了表1中的結(jié)果，其中芳綸纖維比菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料表現(xiàn)出較差的防彈性能(凹陷更深)。

總之，從表1～表3中可以得出結(jié)論：菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料吸收沖擊能量的能力更加有效，無論是在子彈穿透多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)前陶瓷層形成破片后，還是高速7.62 mm子彈直接穿透該材料，均表現(xiàn)出更有效的性能。支撐前陶瓷片不僅降低了速度(33 %)，而且消耗了大部分的沖擊能量(55 %)，無論是芳綸纖維和菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，都比單獨(dú)部件更加有效。在多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)中捕獲破片是一種有效的能量吸收機(jī)制。另一方面，子彈可以很輕易地穿過單部件纖維，并且材料只吸收了1.7 %(芳綸纖維)或3.1 %(菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料)的沖擊能量。在任何一種多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)單一部件的試驗(yàn)中，與芳綸纖維相比，菠蘿族植物纖維復(fù)合材料在通過粉碎脆性環(huán)氧基吸收額外能量方面提供了更好的防彈性能。菠蘿族植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的輕便性和成本優(yōu)勢使其在MAS中的實(shí)際應(yīng)用前景更加廣闊。

2.2 錦葵屬植物纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料[21]

錦葵屬植物纖維具有復(fù)合材料增強(qiáng)的潛力，密度為1.40 g/cm3、抗張強(qiáng)度為160 MPa，彈性模量為17.4 GPa。尤其是9 mm口徑的中速(436 m/s)子彈射入所產(chǎn)生的能量有40 %被錦葵屬植物纖維增強(qiáng)的環(huán)氧復(fù)合材料吸收，所吸收的能量為194 ± 21 J[22]。以同樣的厚度、使用相同的彈道測試程序、基于穿孔后測得的9 mm子彈剩余速度，這一特性基本接近凱夫拉(Kevlar)纖維 221±27 J的吸收能量。這些研究成果[22-23]，推動(dòng)了巴西材料學(xué)軍事工程研究所針對(duì)錦葵屬植物纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料作為對(duì)抗高速7.62 mm彈藥的第二層多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)的研究。

該植物的防彈試驗(yàn)在巴西陸軍評(píng)估中心進(jìn)行，試驗(yàn)采用了經(jīng)認(rèn)證的7.62×9 51 mm NATO彈藥，子彈質(zhì)量9.7 g。Kevlar?和錦葵屬植物纖維等的彈道分析見表4所示。

表4 多層裝甲系統(tǒng)研究中的質(zhì)量和成本分析

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，用錦葵屬植物纖維復(fù)合材料作為多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)第二層，代替等厚度的傳統(tǒng)凱夫拉(KevlarTM)，質(zhì)量稍微增加了2%左右，但成本卻顯著降低200%以上。這些結(jié)果表明，在實(shí)際應(yīng)用中，以錦葵屬植物纖維復(fù)合材料代替凱夫拉(KevlarTM)多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)在防彈性能和輕量化方面具有相同的技術(shù)優(yōu)勢，且成本較低。原則上，這些結(jié)果與之前使用其他天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的類似研究結(jié)果相比并不令人驚訝。目前工作的重要因素是：錦葵屬植物纖維復(fù)合材料還未在工程應(yīng)用中得到認(rèn)可。

2.3 櫚纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料[24]

巴西櫚纖維的密度介于 1.10～1.45 g/cm3之間。這些纖維的化學(xué)成分基本為纖維素和木質(zhì)素，分別占31.6%和48.4%。這種纖維構(gòu)成具有天然的抗彎剛度和防水性。0.25～0.70 mm 直徑巴西櫚纖維的機(jī)械特性為：拉伸強(qiáng)度108.5～147.3 MPa，彈性模量5.5～6.3 GPa，屈服強(qiáng)度 69.8～81.7 MPa[25-30]。

基于上述優(yōu)勢，巴西材料學(xué)軍事工程研究所連續(xù)對(duì)巴西櫚纖維(巴西櫚纖維體積分?jǐn)?shù)分別為 10%、20%、30%、40% 和 50%)和環(huán)氧樹脂制成用作多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)中間層的復(fù)合板，然后對(duì)其進(jìn)行彈道試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析見表5所示。

表5 抗彈試驗(yàn)的凹陷深度值

表5分析了巴西櫚纖維六組復(fù)合材料樣本在經(jīng)過彈道試驗(yàn)后的凹陷深度值。由此表可知：

1) 巴西櫚纖維/環(huán)氧樹脂系統(tǒng)均未在相應(yīng)的彈道試驗(yàn)中被貫穿，且所有結(jié)果均顯示凹陷深度小于44 mm。根據(jù)NIJ標(biāo)準(zhǔn)，巴西櫚纖維/環(huán)氧樹脂有望作為防彈裝甲中的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

2) 此復(fù)合材料以50%(體積百分比)巴西櫚纖維增強(qiáng)，采用正交鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的彈道沖擊抵抗表現(xiàn)。此復(fù)合材料能夠在一次彈道沖擊后保持完整，因此是所有樣本中最適合多層裝甲防護(hù)系統(tǒng)的材料

但是，巴西櫚纖維含量的進(jìn)一步增加有待進(jìn)一步研究。而且，由于復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)材料和基體之間的空隙增大，黏著力下降，加工此材料時(shí)有一定難度，實(shí)際工程應(yīng)用還待進(jìn)一步研究。

綜上所述：巴西三種植物纖維復(fù)合材料板的彈道性能分析研究得知：三種纖維復(fù)合板的彈道凹陷度以芳綸纖維的彈道凹陷度為基準(zhǔn)(22.67±2.79 mm，22.7±2.8)，其中菠蘿族植物纖維復(fù)合板的彈道凹陷值為17.13 ± 1.57 mm，錦葵屬植物纖維復(fù)合板的凹陷平均值為22.4±1.3， 巴西櫚纖維復(fù)合板凹陷平均值為17.65 mm左右(見表5)，從三種植物纖維復(fù)合板的凹陷值指標(biāo)可看出，櫚纖維和菠蘿族植物的防彈性能最佳，更適合制作多層防護(hù)裝甲的中間防護(hù)層。但在實(shí)際應(yīng)用中，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板與芳綸料板相比，不但具有優(yōu)異的防彈性能，且在重量、制造成本方面者具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，使其在作戰(zhàn)人員MAS裝甲背心上的應(yīng)用前景廣闊.

3 結(jié)論

1) 天然植物纖維與芳綸纖維有相同抗彈性能，并且比芳綸纖維更具有環(huán)保性。

2) 天然植物纖維用于防彈衣中間層，比芳綸纖維作防彈衣中間層質(zhì)量更輕，更舒服。

3) 根據(jù)材料的熱降解性，在高達(dá)200 ℃的條件下，天然植物纖維/環(huán)氧復(fù)合材料具有與芳綸纖維同樣的耐候性，甚至可能比作戰(zhàn)人員的防彈背心中的芳綸纖維更耐用。

天然植物纖維具有與芳綸纖維同樣的防彈性能，甚至在環(huán)保性、輕量化、制造成本上更具有優(yōu)勢，但巴西材料軍事研究所對(duì)幾種天然植物纖維只限于理論研究，給各國在防彈材料領(lǐng)域的研究提供了更廣闊的思路。