聶嘉興,程時(shí)雨,李忠盛,黃安畏,郭 峰,林 禹,李 鵬,吳永鵬

(中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所, 重慶 400039)

0 引言

防彈插板是與防彈背心配套使用的一種剛性防彈材料,在戰(zhàn)場(chǎng)上直面彈丸沖擊,可減緩彈丸的沖擊動(dòng)能,從而起到保護(hù)穿戴者的作用。防彈插板的生產(chǎn)能力與抗彈性能水平反映了國(guó)家的軍事實(shí)力,也是保護(hù)軍民安全的關(guān)鍵所在。目前,現(xiàn)役的防彈插板主要由高硬度的陶瓷材料(氧化鋁、碳化硅、碳化硼等)和低密度、高強(qiáng)度的纖維(超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維等)增強(qiáng)復(fù)合材料背板組成,陶瓷材料在彈丸侵徹防彈插板時(shí),使彈丸磨削變鈍并破碎吸收彈丸能量,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料背板通過(guò)剪切分層、拉伸變形以及纖維斷裂等吸收彈丸及陶瓷碎片的剩余動(dòng)能,將彈丸嵌入在防彈插板內(nèi)部從而實(shí)現(xiàn)防彈功能[1-4]。

目前,防彈插板性能的研究主要集中在防彈插板抗多發(fā)彈打擊性能、防彈插板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料優(yōu)化等方面,鮮有學(xué)者對(duì)防彈插板的作戰(zhàn)環(huán)境的影響進(jìn)行分析。楊德軒等[5]著力于防彈插板的輕量化,創(chuàng)新性的加入了聚脲與SiO2氣凝膠為緩沖層,在保證防彈性能的同時(shí)降低了防彈插板面密度?？讜赠i[6],程時(shí)雨[7],Medvedovski[8],Wang[9]等研究了防彈插板抗多發(fā)彈性能,認(rèn)為陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、斷裂韌性以及防彈插板整體結(jié)構(gòu)對(duì)抗多發(fā)彈性能影響較大。崔鳳單等[10]采用SiC和B4C陶瓷制備的防彈插板均能夠有效防御3發(fā)5.8 mm鋼芯彈,但B4C陶瓷的硬度更高,相應(yīng)的防彈插板實(shí)彈靶試后凹陷值更小,抗彈性能更佳。曹鑫[11]借鑒了狗獾牙齒梯度結(jié)構(gòu)及其微觀形貌,設(shè)計(jì)出一種金屬封裝拼接陶瓷結(jié)構(gòu)的仿生防彈插板,經(jīng)分析,采用圓柱型陶瓷時(shí)具有最好的防彈性能。Liu[12],Savio[13],Ray等[14]認(rèn)為防彈插板中陶瓷的硬度與斷裂韌性對(duì)插板的沖擊碎裂過(guò)程影響較大,且高硬度的陶瓷有利于彈丸的損耗。

在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中,美軍制式的M80型子彈是我軍可能受到的威脅之一,M80彈質(zhì)量9.6 g,射擊初速為848 m/s,其沖擊動(dòng)能較大,同等級(jí)的防彈插板受到M80彈攻擊后往往彈擊瞬間凹陷值較大。表1[15]給出了在相同環(huán)境條件下,測(cè)試相同規(guī)格插板時(shí)(NIJ III級(jí)[16]),不同子彈的彈擊瞬間凹陷值和動(dòng)能數(shù)據(jù)。較大的彈擊瞬間凹陷值(BFS)易導(dǎo)致人體產(chǎn)生內(nèi)臟破損、骨折等非貫穿性損傷,故同等面密度條件下,防彈插板通常以彈擊后是否穿透以及彈擊瞬間凹陷值作為評(píng)判其優(yōu)劣的重要參數(shù)。此外,士兵的作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜且經(jīng)常在高溫氣候環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。因此,研究高溫環(huán)境對(duì)防彈插板抗彈性能的影響具有重要的意義。根據(jù)WHB 917-2015《武警特戰(zhàn)防彈插板制造與驗(yàn)收條件》中高溫環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試溫度為55 ℃±2 ℃,選取55 ℃±2 ℃作為典型高溫環(huán)境開(kāi)展系列研究,后文提及高溫均表示55 ℃±2 ℃。

采用7.62 mm×51 mm NATO M80彈分別對(duì)常溫(23 ℃±2 ℃)和高溫(55 ℃±2 ℃)下的防彈插板進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn),分析了防彈插板彈擊瞬間凹陷值與防彈插板抗彈組元材料的力學(xué)性能變化情況,初步探明了高溫環(huán)境下抗彈性能下降的主要原因,為防彈插板實(shí)戰(zhàn)性能優(yōu)化提供了方向。

表1 不同子彈的動(dòng)能

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料

參考GJB 9977—2021《碳化硅陶瓷復(fù)合防彈插板規(guī)范》進(jìn)行了防彈插板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具體結(jié)構(gòu)為6 mm碳化硼陶瓷板+10 mm超高分子量聚乙烯纖維層壓板(后文簡(jiǎn)稱“UHMWPE層壓板”)+3 mm緩沖吸能泡沫,各層材料間采用聚氨酯樹(shù)脂連接并通過(guò)真空熱壓成型工藝復(fù)合制成防彈插板,防彈插板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用同樣的材料與工藝共制備6塊防彈插板樣品,尺寸為325 mm×260 mm,樣品表面采用軍綠色防水滌綸背膠平紋布包覆,如圖2所示。

圖1 防彈插板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 防彈插板樣品

1.2 射擊試驗(yàn)

在常溫條件下,試驗(yàn)樣品緊貼模塑膠泥,并按圖3、圖4所示方法予以固定,射向與靶面垂直(射角0°～5°),射距15 m。每塊樣品射擊3發(fā)M80彈,彈速不低于838 m/s,每2發(fā)彈間距不小于100 mm且距邊緣距離不小于50 mm。進(jìn)行高溫環(huán)境下防彈插板性能測(cè)試時(shí),將試驗(yàn)樣品放置進(jìn)入高溫試驗(yàn)箱,進(jìn)行高溫55 ℃±2 ℃,恒溫3 h的處理,每次從試驗(yàn)箱中取出1塊試驗(yàn)樣品,立即將試驗(yàn)樣品緊貼模塑膠泥,拿出高溫試驗(yàn)箱后10 min內(nèi)完成測(cè)試。

圖3 彈道試驗(yàn)裝置

圖4 固定靶架結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 彈擊瞬間凹陷值測(cè)量

實(shí)彈射擊試驗(yàn)測(cè)試后,彈擊瞬間凹陷值測(cè)量參照GA141-2010《警用防彈衣》進(jìn)行。首先觀察防彈插板每發(fā)彈位置是否發(fā)生穿透,若未發(fā)生穿透,則使用數(shù)顯深度尺測(cè)量每個(gè)彈著點(diǎn)膠泥的凹陷深度,射擊試驗(yàn)后膠泥凹陷情況如圖5所示。每處凹陷位置測(cè)量3次,取3次測(cè)量的算術(shù)平均值為該發(fā)彈的彈擊瞬間凹陷值。

圖5 凹陷的膠泥

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)的所有彈速均滿足彈速不小于838 m/s的要求,防彈插板均實(shí)現(xiàn)有效防御,M80彈未能穿透防彈插板,防彈插板彈擊后損傷情況如圖6所示。可以看出,防彈插板經(jīng)實(shí)彈射擊后整體結(jié)構(gòu)完整性較好,碳化硼陶瓷板與UHMWPE層壓板之間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。主要是防彈插板最外層軍綠色平紋布和緩沖吸能泡沫在彈擊處受到較為嚴(yán)重的破壞,UHMWPE層壓板受到彈丸沖擊向外凸起變形。因此,防彈插板可以有效降低槍彈對(duì)戰(zhàn)士造成致命傷害的可能性,大大提升士兵戰(zhàn)場(chǎng)生存率。

圖6 防彈插板彈擊后損傷情況

防彈插板實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2與圖7。由試驗(yàn)結(jié)果可知,每一塊防彈插板射擊3發(fā)M80彈,其第1、2、3發(fā)彈的彈擊瞬間凹陷值呈遞增關(guān)系,尤其是第2發(fā)相對(duì)于第1發(fā)的彈擊瞬間凹陷值明顯增加。其原因一方面是陶瓷板裂紋擴(kuò)展的不確定性,前序子彈射擊后可能導(dǎo)致后續(xù)子彈射擊位置產(chǎn)生裂紋,降低了該點(diǎn)位陶瓷板抗彈性能;另一方面是防彈插板在經(jīng)過(guò)前序彈丸沖擊后,UHMWPE層壓板與陶瓷板層間破壞面積增加,UHMWPE層壓板對(duì)陶瓷板的支撐與協(xié)同抗彈作用逐漸減弱。

表2 實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知,常溫狀態(tài)下測(cè)試的防彈插板彈擊瞬間凹陷值明顯小于高溫狀態(tài)下的彈擊瞬間凹陷值,其平均彈擊瞬間凹陷值差值在2～5 mm,常溫狀態(tài)下射擊3塊防彈插板相對(duì)于高溫狀態(tài)下射擊3塊防彈插板的第1發(fā)彈擊瞬間凹陷值均值低2.1 mm,第2發(fā)均值低4.9 mm,第3發(fā)均值低5.0 mm,表明防彈插板受到高溫環(huán)境影響,其每發(fā)彈的彈擊瞬間凹陷值明顯增加,抗彈性能發(fā)生下降,在實(shí)戰(zhàn)中可能導(dǎo)致士兵受到非貫穿性損傷的程度加深。

2.2 影響因素分析

防彈插板主要由碳化硼陶瓷板、UHMWPE層壓板以及緩沖吸能泡沫組成,層間通過(guò)聚氨酯樹(shù)脂粘結(jié)。高溫環(huán)境使得防彈插板抗彈性能發(fā)生明顯下降,首先在55 ℃下對(duì)碳化硼陶瓷板的影響可以忽略,可能受到影響的主要有聚氨酯樹(shù)脂的粘接性能,UHMWPE層壓板的力學(xué)性能以及緩沖吸能泡沫。

通過(guò)試驗(yàn)后防彈插板緩沖吸能泡沫狀態(tài)可以看出,常溫狀態(tài)與高溫狀態(tài)下射擊后防彈插板的緩沖吸能泡沫損傷形式與狀態(tài)基本一致,但是高溫下測(cè)試的UHMWPE層壓板變形量明顯更大,因此緩沖吸能泡沫不是影響防彈插板抗彈性能發(fā)生明顯下降的主要因素。可能的原因一是聚氨酯樹(shù)脂在高溫環(huán)境下粘接強(qiáng)度發(fā)生下降,導(dǎo)致碳化硼陶瓷板與UHMWPE層壓板層間結(jié)合強(qiáng)度下降而吸能不足且UHMWPE層壓板對(duì)陶瓷板協(xié)同支撐作用減弱,在第2發(fā)和第3發(fā)彈擊時(shí)層間分層現(xiàn)象加重。二是UHMWPE層壓板在高溫下發(fā)生軟化,在彈丸強(qiáng)大的能量沖擊下抵抗變形的能力發(fā)生下降,從而導(dǎo)致彈擊瞬間凹陷值增大。因此,分別在常溫、高溫下開(kāi)展聚氨酯樹(shù)脂剝離強(qiáng)度試驗(yàn)與UHMWPE層壓板剝離強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度測(cè)試,以探究防彈插板性能下降的主要原因。

2.2.1聚氨酯樹(shù)脂剝離強(qiáng)度

采用與制備防彈插板相同的工藝條件,利用聚氨酯樹(shù)脂將芳綸纖維平紋布與25 mm寬度的碳化硼陶瓷板樣條粘接,參照GB/T 2790-1995《膠粘劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態(tài)下進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試,每組5件試樣,試樣如圖8所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 剝離強(qiáng)度試樣

圖9 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

常溫下測(cè)試的5件試樣的剝離強(qiáng)度平均值為68.4 N/25 mm,高溫下測(cè)試的5件試樣的剝離強(qiáng)度平均值為 60.2 N/25 mm,高溫下剝離強(qiáng)度下降了12.3%。由此可見(jiàn),聚氨酯樹(shù)脂的剝離強(qiáng)度在高溫下會(huì)發(fā)生一定程度的降低但并不顯著,且通過(guò)高溫實(shí)彈射擊后的防彈插板可以進(jìn)一步看出其結(jié)構(gòu)完整性較好,層間未發(fā)生明顯分層,與常溫靶試后防彈插板基本一致,故聚氨酯樹(shù)脂不應(yīng)是影響防彈插板高溫下抗彈性能的主要因素。

2.2.2UHMWPE層壓板力學(xué)性能

1) 剝離強(qiáng)度

UHMWPE層壓板層間結(jié)合強(qiáng)度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致彈丸侵徹過(guò)程中易產(chǎn)生分層破壞而剪切分層吸能不足,從而發(fā)生子彈穿透或彈擊瞬間凹陷值增加等現(xiàn)象。因此,UHMWPE層壓板層間結(jié)合強(qiáng)度對(duì)其整體抗彈性能至關(guān)重要。采用與UHMWPE層壓板相同的原材料和工藝,制備10 mm厚度的平板樣件,參照GB/T 2790—1995《膠粘劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態(tài)下進(jìn)行5件UHMWPE層壓板試樣表面層間剝離強(qiáng)度測(cè)試,剝離表面厚度為0.2～0.5 mm,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

常溫下測(cè)試的5件UHMWPE層壓板試樣的剝離強(qiáng)度平均值為42.7 N/25 mm,高溫下測(cè)試的5件UHMWPE層壓板試樣的剝離強(qiáng)度平均值為42.4 N/25 mm,高溫環(huán)境對(duì)UHMWPE層壓板表面層間剝離強(qiáng)度的影響甚微。

圖10 剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2) 彎曲強(qiáng)度

采用與UHMWPE層壓板相同的原材料和工藝,制備10 mm 厚度的平板樣件,參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》,分別在常溫、高溫(55 ℃,3 h處理)2種狀態(tài)下進(jìn)行5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

常溫下測(cè)試的5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強(qiáng)度平均值為64.3 MPa,高溫下測(cè)試的5件UHMWPE層壓板試樣的彎曲強(qiáng)度平均值為42.9 MPa,高溫下彎曲強(qiáng)度下降了33.2%,發(fā)生了明顯下降。彎曲強(qiáng)度下降表明高溫下UHMWPE層壓板抵抗變形能力發(fā)生明顯減弱,因此,彎曲強(qiáng)度下降應(yīng)是導(dǎo)致防彈插板彈擊瞬間凹陷值增大的主要原因。因此,在保障防彈插板能夠有效防御彈丸侵徹不發(fā)生穿透的情況下,提升UHMWPE層壓板彎曲強(qiáng)度或減小高溫下性能下降比率,能夠有效降低防彈插板彈擊瞬間凹陷值,提升防彈插板的整體抗彈性能。

3) 重復(fù)性受熱影響

上述試驗(yàn)表明,UHMWPE層壓板在高溫環(huán)境下彎曲強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯下降,導(dǎo)致防彈插板抗彈性能降低。但是在實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì)經(jīng)受重復(fù)性的高溫受熱,因此開(kāi)展UHMWPE層壓板多周期受熱后彎曲強(qiáng)度變化試驗(yàn),以研究UHMWPE層壓板經(jīng)歷多次高溫環(huán)境是否對(duì)其常溫彎曲性能產(chǎn)生影響。UHMWPE層壓板經(jīng)受“高溫55 ℃,3 h,常溫25 ℃,1 h”為1周期,分別經(jīng)歷1、3、5、7、9周期試驗(yàn)處理后,常溫下UHMWPE層壓板彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。經(jīng)歷1、3、5、7、9周期試驗(yàn)處理后彎曲強(qiáng)度分別為62.1、61.2、64.5、62.9、62.6 MPa,可見(jiàn)彎曲強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生明顯變化。因此,55 ℃高溫環(huán)境下重復(fù)性受熱對(duì)UHMWPE層壓板彎曲性能影響較小。

圖12 重復(fù)性受熱對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常溫、高溫環(huán)境下的防彈插板進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn),分析了高溫環(huán)境對(duì)防彈插板的抗彈性能的影響,同時(shí),開(kāi)展了聚氨酯樹(shù)脂剝離強(qiáng)度測(cè)試、UHMWPE層壓板力學(xué)性能測(cè)試,初步探明了高溫環(huán)境下導(dǎo)致抗彈性能下降的主要原因。得出主要結(jié)論如下:

1) 高溫環(huán)境下防彈插板的抵抗彈擊瞬間變形的能力明顯下降,相對(duì)于常溫下防彈插板,每發(fā)彈的彈擊瞬間凹陷值增加了2～5 mm。

2) 高溫環(huán)境下導(dǎo)致抗彈性能下降的主要原因是UHMWPE層壓板在高溫下發(fā)生軟化,彎曲強(qiáng)度下降33.2%,在彈丸沖擊下抵抗變形的能力發(fā)生減弱,從而導(dǎo)致彈擊瞬間凹陷值增大;但是55 ℃高溫環(huán)境下重復(fù)性受熱不會(huì)對(duì)UHMWPE層壓板常溫環(huán)境下的彎曲性能產(chǎn)生明顯影響。