防弹车用复合材料的研究现状及展望

当今世界各地区武装冲突接连不断，人员财产损失的情况越来越复杂,对防弹车的需求量与日俱增。传统防弹车的改装主要采用普通钢装甲、高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲乃至钛合金装甲但是这种通过增加材料的厚度或叠层来实现防护效果的方法,使得防弹车产生较大的重量负担:从而限制了防弹车的灵活性,并大大增加了防弹车的油耗。 近年来,随着Kevlar纤维、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维、聚对苯撑苯并二唑(PBO)纤维等具有轻质、高强高模和抗冲击等特性:的高性能纤维的出现,使得防弹车的轻量化、舒适性以及高效防弹等目标得以实现。

1 防弹车用复合材料的增强纤维

近代以来 ,人们对车辆防弹材料的研究与应用逐渐从金属转化成非金属 ,可以大致分为钢板与纤维复合材料这两大阶段。其中纤维复合材料按研究时间顺序依次为玻璃纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维和PBO纤维等 。 1.1 玻璃纤维 玻璃纤维成本低廉、抗冲击性能和疲劳性能优异 ,对破甲弹具有使射流弯曲、不规则断裂失稳的能力 ,这些特性使其在装甲车辆上具有广阔的应用前景。20世纪80年代初 ,我国对玻璃纤维在轿车车身中的应用进行了研究。因其防弹性能、硬度、强度以及耐气候性能优异等特性 ,开始被广泛应用于军事武器装备领域作混杂复合材料迎弹面。但重量较重和弹击后易崩落碎片等问题仍是玻璃纤维需要解决的问题。 Nunes等采用层玻璃纤维增强环氧基复合材料制备了防弹层板 ,通过研究发现这些层压材料的弹道性能可以通过改变层压材料的性能或改变层压材料的组合方式来改变 . 此外,材料的分层面积对弹道性能的量化也很重要 . 1.2 芳纶纤维 在质量相同情况下 ,芳纶纤维复合材料的抗弹能力是钢的5倍 ,韧性是玻璃纤维复合材料的3倍,但其缺点是易吸湿,不耐紫外光.目前使用最多的除了美国杜邦公司的Kevlar®(我国称为芳纶1414或芳纶Ⅱ),还有荷兰阿克苏公司的Twaron®和俄罗斯的 Armos®等品牌的芳纶纤维。 陈虹等对轻质复合材料在防弹车中使用的必要性以及芳纶复合材料防弹机理进行了研究并总结了芳纶复合材料在各种防护级别防弹车中的应用。研究表明,芳纶复合材料对车辆的减重效果显著,层合板厚度是决定车辆抗冲击性的关键因素。 Lee等通过有限元分析对军用车辆防弹材料进行优化研究.研究表明:Kevlar-29厚度增加的同时,纤维引出的拉伸应力也随之增加,且在45层(36mm)时防弹效果最佳;与前面板、后面板均使用Kevlar-29相比,当前面板使用 Kevlar-29、后面板使用钢板时,车辆防弹效果变差。此外,在防弹重建(指纤维增强复合材料的前体材料采用钢板,背面材料使用纤维增强复合材料)时,为了影响最初弹芯的冲击能量,必须在前面板上使用钢板、合金等强材质,可以借此影响弹壳及弹芯的减速。 张佐光等对Twaron-750纤维增强防弹板的防弹性能进行了研究,研究表明:缩丁醛及聚乙烯作为树脂基体时材料的防弹性能最好,以环氧及酚醛类为基体的材料防弹性能最差.此外,树脂含量和固化压力过高或过低都不利于防弹性能.

1.3 UHMWPE纤维 UHMWPE纤维是20世纪80年代中期发展起来的一种用于弹道防护的高性能纤维。该纤维主要采用凝胶纺丝法制备而成,主要品牌有Dyneema(荷兰DSM、日本Toyobo)和Spectra(美国 HoneyＧwell)等。UHMWPE纤维单丝强度和比强度是所有纤维之最,相当于优质钢丝的15倍、芳纶纤维的1.7倍、碳纤维的2.6倍,比水更轻,并具有良好的抗潮湿、抗紫外线和耐磨性,该纤维氢原子含量高,防中子弹和防 γ射线性能优良,所以是非常理想的轻量化防弹材料。但是 UHMWPE纤维耐热性能较差,对热压成型加工工艺及树脂要求较高。

梁子青等研究了UHMWPE纤维复合材料基体种类和结构对防弹性能的影响,研究表明:聚氨酯(PU)与低密度聚乙烯(LDPE)均可作为UHMWPE纤维防弹复合材料的基体材料;UHMWPE纤维防弹复合材料的首选结构是正交铺层结构。此外,当以LDPE为基体时基体最佳含量在26％左右,且模压工艺对材料的防弹性能无显著影响。 陈成等研究了装甲车钢/纤维复合装甲的防弹性能及其影响因素,研究表明:厚度相同时,混合纤维复合靶板和单一材料靶板在防弹性能上存在优缺点,主要是由材料组合形式决定;两者间连接方法会影响系统防弹性能且防弹钢/UHMWPE复合板内衬装甲厚度与其防弹性能不呈线性关系,并起到了支撑防弹钢的作用。 １.4 PBO纤维 PBO纤维是目前所发现的有机纤维中性能最好的纤维之一,被誉为“21世纪超级纤维”。因为其强力、模量均优于UHMWPE纤维和芳纶纤维,并且耐冲击性能与耐磨性能相较于芳纶和碳纤维也十分出色,所以被视为新一代装甲防弹纤维。此外,高强度、高模量、耐热性和阻燃性优良等特点,使得该纤维成为未来最具有竞争力的抗弹纤维之一。然而,受制备技术和价格等因素影响,PBO纤维用于车辆防护只是进行些尝试性的应用,并没有大范围推广。

2 防弹车用复合材料的树脂基体

树脂基体主要作用是给柔性织物提供刚度使其 形态特征固定,以约束纱线横向变形。相对于纯织物,纤维增强树脂基复合材料可借助于树脂基体的开裂来消耗子弹冲击能量以提高吸能能力。目前,装甲用复合材料的树脂基体材料主要分为热固性与热塑性两大类。 2.1 热固性树脂 热固性树脂的主要作用是将织物转化为刚性板,提高材料的热性能和机械性能。目前防弹车用热固性树脂主要有环氧树脂(EP)、PU树脂以及用作芳纶复合材料基体的AFRＧTE树脂等。 相关研究发现,纤维增强复合材料中的基体树脂含量一般占总质量的30％左右时复合材料性能最佳,含量过高或过低均会对复合材料的力学性能及抗冲击性能产生不良影响.柴晓明在对复合材料成型工艺的研究中发现树脂含量为20％(质量分数)左右时,其防弹性能最优.王梦肖等对三维浅交弯联Kevlar/EP装甲材料的弯曲性能进行了研究,研究表明当EP质量分数在42％49％时,材料的弯曲强度随着含胶量的增加呈现“先增加后下降”的趋势.周洁鹏等依据芳纶的结构特点和相似相容原理,制备出一种新型热固性树脂(AFR-TE)用作芳纶复合材料的基体。测试结果表 明:AFR-TE树脂浇铸体的热变形温度(123.5℃)相较于环氧树脂E-51提升了25％,且韧性得到显著的增强。 2.2 热塑性树脂 热塑性树脂具有良好的韧性以及耐化学腐蚀性,但其拉伸强度较低,拉伸形变率较大,容易造成防弹复合材料结构不稳定。目前防弹车用复合材料使用的热塑性树脂主要有水性聚氨酯(WPU)、丙烯酸酯、聚烯烃树脂、聚酰胺(PA)等。 何业茂的研究表明:UHMWPE纤维增强聚烯烃树脂基复合材料装甲板的防弹性能与强度和模量呈正相关,与纤维模量呈负相关。此外,在 WPU体系中,高性能纤维防弹性能依次为UHMWPE纤维＞杂环芳纶纤维＞芳纶1414纤维＞S-玻璃纤维. 李焱等研究发现,无纬布预浸成型工艺对复合材料防弹性能影响很大,其中含胶量影响最明显。对WPU而言,含胶量在23％26％(质量分数)范围内可获得最优的防弹性能,且在此区间内整体性能较为稳定。

3 防弹车用复合材料的成型工艺

当前复合材料防弹板常用的制备工艺主要有模压成型、真空辅助成型和树脂传递模塑三大类。 3.1 模压成型工艺 模压成型工艺生产效率高,可用于成型结构较为复杂的产品,并且制备的产品不需要二次处理表面就很光滑。此外,模压成型工艺具有成型压力大和需要维持一定时间的特点,这就使复合材料构件成型时可能产生很大的应力从而引起纤维屈曲,影响制品的性能甚至发生纤维劈裂和层间开裂这2种典型的失效形式。 刘吉凯等发现在固化温度和时间恒定的条件下,层合板的力学性能在不同成型压力下表现出先升后降的规律,当成型压力为0.8MPa时,综合力学性能最优.此外,适当增加成型压力有利于纤维密集,排出多余树脂,减少孔隙和缺陷,从而提高力学性能;而过大的成型压力则会产生反作用。 3.2 真空辅助成型工艺 真空辅助成型工艺制备的产品性能优异、质量稳定性好、制件空隙率低并且生产成本低,不易受尺寸的限制,但真空压力、注胶方式等易影响制品性能。 张锐等在对真空辅助成型工艺研究的过程中发现:高渗透率的导流介质能有效提高树脂的流动速度,从而提高充模速度。此外,在成型过程中采用新型导流介质以及脱模介质能分别控制树脂的流动状态和缩短充模时间。 赵艳文等采用真空袋外加真空罩的方法,使真空袋内外均保持真空状态,有效减少了试样缺陷空隙,大幅度提高了试样的力学性能。 3.3 树脂传递模塑成型工艺 树脂传递模塑成型(RTM)工艺也可用于制备装甲用复合材料,得到的制品具有较好的表面光泽和合适的厚度。因为RTM工艺制备的装甲材料质量较模压板好且不受制品型面的限制,能耗低、环境污染小,因此得到广泛应用。 Lee等的研究表明,将注胶孔置于模具中心位置时,树脂充模的时间比注胶孔位于四周的情况下延长65％,推测原因是注胶孔位于中心位置导致树脂的流动速度变缓,不利于浸润。王兴忠等在模具各分模面处设计出密封槽(双道),并选用O型硅橡胶棒进行密封确保良好的密封性.邓杰等强调RTM工艺要求基体树脂具有较低的黏度,一般应在0.5Pa●s以下,最高不宜超过1.0Pa●s。因为低黏度基体材料不仅有利于增强材料的充分湿润,而且还可以排除织物层间和纤维束内的气泡以及降低注胶压力。 此外,通过相关研究发现:采用多种纤维混杂的方式来制备装甲用复合材料,在降低成本的前提下,又能充分发挥各种纤维的长处,弥补不足,从而提高材料整体性能.贾文星等研究了 PA/UHMWPE纤维混杂增强复合材料的铺层结构和混杂比例对比吸收能(SEA)值和背部凸起(BFS)值的影响.研究表明,PA纤维可以在不影响SEA值的情况下有效限制BFS值,其中两级铺层结构和夹芯铺层结构表现出混杂正效应,并且表现出优异的防弹性能.陈秋宇等采用拉-挤成型法制备单向连续碳纤维/玻璃纤维层内混杂复合材料。研究表明,不同层内混杂复合材料受混杂结构的影响表现出不同的拉伸强度,但拉伸模量几乎不受其影响。

4 防弹车用复合材料的力学性能

4.1 拉伸性能

陈克的研究表明,UHMWPE/EP基复合束丝的固化效果随着时间的延长和温度的升高不断提升,树脂基的力学性能也随之增强,但UHMWPE纤维的力学性能在此期间逐渐变差。当吸收一定的热量后,环氧基体树脂拉伸强度的增强幅度低于UHMWPE束丝的力学损失幅度,因此复合束丝的力学性能出现下降。

高金鹿等对Kevlar®纤维增强树脂基复合材料的拉伸性能进行了测试,测试结果表明:纤维的加入可以促进材料力学性能的提升,当纤维体积分数在10％~20％时,增强效果明显且纤维承担拉伸过程中的主要载荷,复合材料的拉伸断裂强度和弯曲强度显著提高;但纤维体积分数低于10％时,增强效果不明显。

李聪聪等测试了芳纶复合材料的拉伸性能,结果表明:当材料含胶量为32％(wt,质量分数,下同)时,经向断裂强度最高;材料含胶量为38％时,纬向断裂强度最高。此外,当铺层方式均为０°时,纬向断裂强度最高;铺层方式均为０°/90°时,材料断裂强度最低。

4.2 弯曲性能

材料的弯曲强度与压缩应力和拉伸应力密切相关。当韧性强的材料发生较大的形变时仍未断裂,不能测定其弯曲断裂强度时,可以把试样外层纤维最大应变达到5％所对应的应力作为其弯曲强度。目前,复合材料的弯曲性能研究主要包括三点、四点弯曲试验及模拟.

郑建华等的研究表明:三维深角联Kevlar/EP复合材料的弯曲性能表现出各向异性,其中纬向的弯曲性能优于经向;当材料沿经向进行弯曲加载时,经纱起到承载的主要作用。此外,材料与上压头接触的经纱承载力优于下压头接触的经纱,失效主要原因是与上压头直接接触的经纱断裂。

Ma等的研究表明,当碳纤维与环氧树脂基复合材料出现弱层间结合力和脆性断裂缺陷时,复合材料整体弯曲性能相对较差;当工艺参数合理,有效消除复合材料缺陷时,复合材料抗弯强度可大幅度提升。

肖露采用三点弯曲试验对不同纤维复合材料层间界面粘合性能进行研究,结果表明芳纶纤维复合材料最大层间剪切强度优于其他材料;玻璃纤维复合材料纵横剪切强度最大,而碳纤维复合材料的面内剪切模量最大。

5 防弹车用复合材料防弹性能的影响因素

5.1树脂基体 树脂基体对复合材料受到冲击时起着传递应力与均布载荷作用,两者配合匹配性较好,能确保复合材料刚性、结构完整性及界面粘接强度好。另外,树脂种类及含量对材料破坏模式及防弹性能均有影响,热塑性树脂以产生较大变形来吸能为主,热固性树脂则取决于它的刚度和强度。树脂含量过多时界面粘接强度下降,纤维疏松容易发生滑移,被侵彻后会造成间隙变大,出现界面粘接,分层破坏等现象,使防弹性能下降;树脂含量太高时,容易发生树脂基体的内聚破坏现象,而且会对纤维造成太大的束缚,从而影响纤维的形变,使纤维的功能无法得到充分的发挥。为充分吸能,树脂基体应具有与纤维同步伸长率大的断裂伸长率,然后起到抗侵彻效果。 吴中伟等采用EP对酚醛树脂进行改性,使树脂的粘结强度显著提高。研究表明:EP含量保持在6％(质量分数)时,防弹复合板的防弹性能最优,且安全裕度更高。而当EP含量继续增加时,纤维发生“塑化”,致使产品发生脆性断裂,从而使复合板的防弹性能降低.此外,当增塑剂质量分数为15％时,防弹复合板的防弹性能最优。 熊杰等在对芳纶层合板的弹击实验中发现:在合适的树脂含量范围内,芳纶防弹层压复合材料的弹道极限主要取决于靶板所含的织物层数;当芳纶层压板织物层数相同时,其弹道极限基本相同,与树脂含量关系不大。方心灵等通过研究发现:树脂含量控制在15％~25％(质量分数)时,层合板的防弹性能以及力学性能最佳。 陈强通过研究发现:复合材料的抗弹性能与树脂含量密切相关;在树脂含量基本相同的情况下,抗弹性能与靶板成型压力有很大关系,但保温时间、后处理温度对制品的防弹性能影响不大。 5.2 复合材料界面 界面作为增强体纤维和基体的过渡区,在化学成分变化时能传递应力,这对于纤维复合材料的最终防弹性能有较大影响。界面粘接强度太高时,纤维松容易发生滑移而降低防弹性能,所以合适的界面粘接强度将有助于冲击韧性的改善和载荷的高效传递,进而改善纤维复合材料的吸能特性。 贾子琪等通过研究发现:复合材料靶板的防弹性能随着界面剥离强度的提高呈现出先提高后降低的趋势,并且靶板的背部变形逐渐减小,进一步证明了界面结合强度对复合材料靶板防弹性能的影响。 季心怡等的研究表明:碳纤维复合材料的界面性能可以采用电化学氧化、等离子刻蚀和 γ射线辐照3种调控方式进行增强,电化学处理和等离子刻蚀后的碳纤维复合材料层间剪切强度明显提高,而γ射线辐照方法更有助于提升碳纤维的拉伸强度。

6 防弹车的测试标准

为了规范防弹车的设计与制造标准,美国、欧盟、德国、俄罗斯、中国都有自己的通用标准,并且一般还会制订一系列军用标准。当然,所有防护标准建立的前提都是以标准所属国最通用的武器、弹药为依据,设定强弱等级,以规范各类防护产品的设计和制造标准。 目前 ,应用最广泛的EN 1063或CEN 1063是欧洲标准化委员会创建的安全玻璃标准,用于测量防弹玻璃的防护强度。EN 1063或CEN 1063通常与EN 1522/1523结合使用,以形成弹道分类系统,通过该系统对装甲车辆和结构进行测试和评级。 除此之外 ,国际上常用的防护标准还有德国VPAMBRV 2009、美国司法研究所制订的NIJ 0108.01等。VPAM标准制订 了对防弹整车 的测试标准和方法,NIJ标准则是针对防弹材料的测试标准和方法。但总体而言,各类标准之间具有横向互通性,在等级的设定、武器的选择以及测试方法的制订上基本一致,可通用。

7 结语与展望

随着科技的发展 ,研发高强度、轻量化以及抗弹性能好的高性能轻质复合材料是未来的发展趋势 , 研发中要考虑到客户对复合材料要求的差异性 ,选择性价比合适的原材料 ,掌握复合材料的损伤破坏机理 ,从而找到合适的制备工艺与纤维混杂搭配 ;加强弹道极限速度预测数学模型的建立、层压板的抗弹机理及断裂增韧机制等方面的研究 ,为后续的研发提供数据与技术支撑。