芳纶复合材料抗弹性初探
1 前 言
防护装甲的发展历史已很漫长，至今，它已成为武器装备应用中一项不可缺少的重要技术。早期的防护装甲为金属结构，面板为硬度高的金属板，背板为韧性好的金属板。60年代后，复合材料在武器装备中的应用开始增加。美国先将芳纶复合材料制成防弹头盔，接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合，用于坦克装甲。荷兰用高强度聚乙烯复合材料作防弹板，改装Volvo 440警车。陆续地，各国研究者开始尝试用可设计性强的高性能复合材料来制作各种防弹防爆装甲。
我国对防弹复合材料的研究起步较晚，目前仍采用笨重的全钢制结构装甲装备部队，严重影响部队的机动性和灵活性，研究适合国情的新型防弹装甲结构势在必行。本文采用钢结构与高性能芳纶复合材料复合，充分发挥两者的优势，既可以减重，又可以提高防护等级，根椐这一设想，考察了原材料、成型工艺等因素对防弹板抗弹性能的影响，并制作了面密度小、抗弹性能优异的芳纶复合材料（AFRP）/钢板复合防弹板。
2 原材料及工艺
2.1 原材料
(1)基体材料
基体树脂特性是影响复合材料抗弹性的重要方面。强度、韧性和耐热性是所要考虑的主要内容。韧性是研究的重点。根据有关资料介绍，装甲材料的断裂韧性K1 c需要大于或等于0.1MNm-3/2。我们在研究中采用两种树脂：环氧和酚醛树脂。
(2)芳纶纤维
所用芳纶织物基本性能如表1所示。
(3)高硬度装甲钢
表1 芳纶纤维的基本性能
复合防弹板由高硬度装甲钢与AFRP结构组成。其制作工艺按下列步骤进行：
（1）在芳纶纤维织物浸胶前，先对其表面进行处理。因为纤维与基体的层间强度，不仅与基体的韧性有关，还与纤维的表面状态有关。纤维经表面处理后，界面强度会明显提高，为此，我们先对芳纶纤维的表面进行了处理。
（2）为提高AFRP结构与钢板的粘接强度，在钢板使用前，我们对其表面进行喷砂除锈和复合溶液处理。
（3）将芳纶织物浸渍基体后，铺放在模具内压制，与钢板复合。
3 抗弹性试验
3.1 试验
为了合理地进行试验，我们采用正交试验设计，以下列五个方面为影响因素：①基体；②芳纶纤维的表面处理；③树脂含量；④钢板与AFRP的着弹次序；⑤钢板的表面处理。靶板尺寸为200×200mm,每组五个试样。试验用枪：7.62 mm口径51式弹道枪；试验用弹：51－1式钢弹；射击倾角：90°；射击距离：10 m；用测速仪测速。
3.2 试验结果
试验结果如表2所示。
4 结果与讨论
由表2可以看出:
（2）一、四、五、八组试样中，虽然弹击后均有鼓包及分层现象，但结构受损程度不同，一组好，四、五次之，八组差，已超过安全容限。从这些试样中可以看出纤维与基体的界面强度对靶板的抗弹性有很大影响。
（3）五组试样中，钢板与AFRP结构之间出现较大面积的分层，甚至脱层现象；一组试样中，界面接合紧密或只有小部分分层现象。可见，钢板与AFRP的界面也不容忽视。
试验结果显示，影响芳纶复合材料抗弹性的原因可以归纳为两个主要问题：一是钢板与AFRP的着弹次序；二是界面问题。下面就对这两个问题加以讨论。
4.1 着弹面对抗弹性的影响
靶板的抗弹机理，即弹体对防弹结构单元的侵切是一个非常复杂的过程，可分为两步：
先是弹体与金属钢板的相互作用。由于钢板属于各向同性材料，在冲击载荷下的塑性变形性能不同于静态下的性能，在弹体与其接触时，钢板产生飞溅，形成弹坑；接着，弹坑底部冲击裂纹扩展，由绝热剪切作用导致冲击破坏，消耗弹体的一部分动能。
然后是弹体与AFRP结构的相互作用。AFRP结构为各向异性材料，其破坏过程与机理不同于金属钢板。其防弹性能主要由纤维决定，但还与基体类型、基体含量、成型工艺等因素有关。另外，由于纤维类型、织物及复合材料结构之间存在着差异，尽管玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、陶瓷纤维、尼龙、高强度聚乙烯等均可用于装甲防护，但至今还没有一个单一模型可以定量地描述弹道冲击的过程，只能根据具体情况来讨论。
就芳纶纤维而言，在弹体向前穿过靶板时，变形也在发展。早期时，靶板材料加速、压缩、在弹体前挤压并剪切；后期时，纤维受拉伸，进而分层，形成凹形。
试验中，以AFRP为弹击面时，由于钢板为刚性体，它不会随AFRP的变形而变形；相反，它会阻碍AFRP的形变，使其在未达到大应变前破坏，从而降低靶板整体的抗弹道冲击性。
因此，为提高整体的防弹性能，宜采取钢板背衬AFRP的结构形式。
4.2 界面对抗弹性的影响
（1）织物对弹道性的贡献
传统弹道理论认为，织物对弹体的抗冲击性是因为织物吸收了弹体冲击的动能。弹体击中靶板后产生应力波，应力波沿纤维轴向及纵向传播。能量吸收速率是波速的函数，而波速又是纤维模量和密度的函数。要产生较高的波动速率，需要纤维有较高模量，从而需要牺牲纤维的断裂延伸率。但是，并不是模量越高越好，模量的不断提高会逐渐增加纤维的脆性，终降低纤维对应变能量的吸收。
芳纶纤维的抗弹道冲击性应归功于它优异的热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在弹道冲击所产生的高温度下，可以保证抗冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了高的波动速率及对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作。这些性能使芳纶纤维在受弹道冲击时能有效的吸收轴向应变能和纵向动能。
（2）纤维的表面处理
由于芳纶纤维结晶性好，纤维表面不活泼，与树脂的浸润性不好，从而界面接合力差，粘接界面不能很好地传递应力，受弹道冲击时，引起严重分层现象，所以，必须对纤维表面进行处理，以改善界面强度。
(3)钢板与AFRP的界面
这一问题主要涉及到钢板的表面处理。钢板只经过简单的喷砂处理后，并不能达到理想的粘接强度；而且，钢板短时间放置后，表面又会重新氧化，影响粘接效果。为此，我们用自制的复合溶液对喷砂后的钢板进一步处理，改善钢板与AFRP结构的界面。试验证实，经复合溶液处理的钢板弹击后，没有出现与AFRP结构的脱层现象；否则，脱层现象严重，影响整体的完整性与安全性。
4.3 树脂基体的影响
虽然钢板和纤维在整个靶板结构的弹道冲击中起主要作用，但基体的影响也不可忽视。基体所起的作用有三：一是将纤维粘接在一起，使其成为受力整体；二是将能量从上一相邻织物层传递到下一相邻织物层，每一界面均起到反射应力波的作用。另外，基体在高速冲击下产生裂纹，并沿织物平面扩展，终导致分层破坏，从而吸收部分动能。
复合材料层间粘接强度的高低取决于树脂基体的韧性，其韧性越好，则复合材料层间粘接强度也就越高。
结合弹击试验结果可以看出，树脂基体韧性越好，其抗弹性能也越好。
基体含量过高，整个结构刚性增加，受高速冲击后纤维未达到大破坏应变就已断裂，不能充分发挥织物的特性；树脂基体含量过低，则界面粘接不牢固，不能有效地传递应力波，弹击后，结构分层破坏严重，影响抗弹效果。试验表明，树脂基体含量在25%～35％时，抗弹效果好。
5 结 论
(1)纤维模量会对复合材料的能量吸收产生影响，高模量可以保证高的应变波速，但实际应用中，以中等模量为佳。
(2)对纤维表面进行处理，可以提高抗弹性。
(3)树脂基体韧性好，复合材料层间粘接强度高，抗弹性能好；树脂含量以25%～35％为宜。
(4)以钢板为弹击面的靶板抗弹性明显好于以AFRP为弹击面的靶板。
(5)对钢板表面进行喷砂及复合溶液处理，界面粘接牢固，弹击后安全性高。
防护装甲的发展历史已很漫长，至今，它已成为武器装备应用中一项不可缺少的重要技术。早期的防护装甲为金属结构，面板为硬度高的金属板，背板为韧性好的金属板。60年代后，复合材料在武器装备中的应用开始增加。美国先将芳纶复合材料制成防弹头盔，接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合，用于坦克装甲。荷兰用高强度聚乙烯复合材料作防弹板，改装Volvo 440警车。陆续地，各国研究者开始尝试用可设计性强的高性能复合材料来制作各种防弹防爆装甲。
我国对防弹复合材料的研究起步较晚，目前仍采用笨重的全钢制结构装甲装备部队，严重影响部队的机动性和灵活性，研究适合国情的新型防弹装甲结构势在必行。本文采用钢结构与高性能芳纶复合材料复合，充分发挥两者的优势，既可以减重，又可以提高防护等级，根椐这一设想，考察了原材料、成型工艺等因素对防弹板抗弹性能的影响，并制作了面密度小、抗弹性能优异的芳纶复合材料（AFRP）/钢板复合防弹板。
2 原材料及工艺
2.1 原材料
(1)基体材料
基体树脂特性是影响复合材料抗弹性的重要方面。强度、韧性和耐热性是所要考虑的主要内容。韧性是研究的重点。根据有关资料介绍，装甲材料的断裂韧性K1 c需要大于或等于0.1MNm-3/2。我们在研究中采用两种树脂：环氧和酚醛树脂。
(2)芳纶纤维
所用芳纶织物基本性能如表1所示。
(3)高硬度装甲钢
表1 芳纶纤维的基本性能
复合防弹板由高硬度装甲钢与AFRP结构组成。其制作工艺按下列步骤进行：
（1）在芳纶纤维织物浸胶前，先对其表面进行处理。因为纤维与基体的层间强度，不仅与基体的韧性有关，还与纤维的表面状态有关。纤维经表面处理后，界面强度会明显提高，为此，我们先对芳纶纤维的表面进行了处理。
（2）为提高AFRP结构与钢板的粘接强度，在钢板使用前，我们对其表面进行喷砂除锈和复合溶液处理。
（3）将芳纶织物浸渍基体后，铺放在模具内压制，与钢板复合。
3 抗弹性试验
3.1 试验
为了合理地进行试验，我们采用正交试验设计，以下列五个方面为影响因素：①基体；②芳纶纤维的表面处理；③树脂含量；④钢板与AFRP的着弹次序；⑤钢板的表面处理。靶板尺寸为200×200mm,每组五个试样。试验用枪：7.62 mm口径51式弹道枪；试验用弹：51－1式钢弹；射击倾角：90°；射击距离：10 m；用测速仪测速。
3.2 试验结果
试验结果如表2所示。
4 结果与讨论
由表2可以看出:
（2）一、四、五、八组试样中，虽然弹击后均有鼓包及分层现象，但结构受损程度不同，一组好，四、五次之，八组差，已超过安全容限。从这些试样中可以看出纤维与基体的界面强度对靶板的抗弹性有很大影响。
（3）五组试样中，钢板与AFRP结构之间出现较大面积的分层，甚至脱层现象；一组试样中，界面接合紧密或只有小部分分层现象。可见，钢板与AFRP的界面也不容忽视。
试验结果显示，影响芳纶复合材料抗弹性的原因可以归纳为两个主要问题：一是钢板与AFRP的着弹次序；二是界面问题。下面就对这两个问题加以讨论。
4.1 着弹面对抗弹性的影响
靶板的抗弹机理，即弹体对防弹结构单元的侵切是一个非常复杂的过程，可分为两步：
先是弹体与金属钢板的相互作用。由于钢板属于各向同性材料，在冲击载荷下的塑性变形性能不同于静态下的性能，在弹体与其接触时，钢板产生飞溅，形成弹坑；接着，弹坑底部冲击裂纹扩展，由绝热剪切作用导致冲击破坏，消耗弹体的一部分动能。
然后是弹体与AFRP结构的相互作用。AFRP结构为各向异性材料，其破坏过程与机理不同于金属钢板。其防弹性能主要由纤维决定，但还与基体类型、基体含量、成型工艺等因素有关。另外，由于纤维类型、织物及复合材料结构之间存在着差异，尽管玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、陶瓷纤维、尼龙、高强度聚乙烯等均可用于装甲防护，但至今还没有一个单一模型可以定量地描述弹道冲击的过程，只能根据具体情况来讨论。
就芳纶纤维而言，在弹体向前穿过靶板时，变形也在发展。早期时，靶板材料加速、压缩、在弹体前挤压并剪切；后期时，纤维受拉伸，进而分层，形成凹形。
试验中，以AFRP为弹击面时，由于钢板为刚性体，它不会随AFRP的变形而变形；相反，它会阻碍AFRP的形变，使其在未达到大应变前破坏，从而降低靶板整体的抗弹道冲击性。
因此，为提高整体的防弹性能，宜采取钢板背衬AFRP的结构形式。
4.2 界面对抗弹性的影响
（1）织物对弹道性的贡献
传统弹道理论认为，织物对弹体的抗冲击性是因为织物吸收了弹体冲击的动能。弹体击中靶板后产生应力波，应力波沿纤维轴向及纵向传播。能量吸收速率是波速的函数，而波速又是纤维模量和密度的函数。要产生较高的波动速率，需要纤维有较高模量，从而需要牺牲纤维的断裂延伸率。但是，并不是模量越高越好，模量的不断提高会逐渐增加纤维的脆性，终降低纤维对应变能量的吸收。
芳纶纤维的抗弹道冲击性应归功于它优异的热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在弹道冲击所产生的高温度下，可以保证抗冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了高的波动速率及对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作。这些性能使芳纶纤维在受弹道冲击时能有效的吸收轴向应变能和纵向动能。
（2）纤维的表面处理
由于芳纶纤维结晶性好，纤维表面不活泼，与树脂的浸润性不好，从而界面接合力差，粘接界面不能很好地传递应力，受弹道冲击时，引起严重分层现象，所以，必须对纤维表面进行处理，以改善界面强度。
(3)钢板与AFRP的界面
这一问题主要涉及到钢板的表面处理。钢板只经过简单的喷砂处理后，并不能达到理想的粘接强度；而且，钢板短时间放置后，表面又会重新氧化，影响粘接效果。为此，我们用自制的复合溶液对喷砂后的钢板进一步处理，改善钢板与AFRP结构的界面。试验证实，经复合溶液处理的钢板弹击后，没有出现与AFRP结构的脱层现象；否则，脱层现象严重，影响整体的完整性与安全性。
4.3 树脂基体的影响
虽然钢板和纤维在整个靶板结构的弹道冲击中起主要作用，但基体的影响也不可忽视。基体所起的作用有三：一是将纤维粘接在一起，使其成为受力整体；二是将能量从上一相邻织物层传递到下一相邻织物层，每一界面均起到反射应力波的作用。另外，基体在高速冲击下产生裂纹，并沿织物平面扩展，终导致分层破坏，从而吸收部分动能。
复合材料层间粘接强度的高低取决于树脂基体的韧性，其韧性越好，则复合材料层间粘接强度也就越高。
结合弹击试验结果可以看出，树脂基体韧性越好，其抗弹性能也越好。
基体含量过高，整个结构刚性增加，受高速冲击后纤维未达到大破坏应变就已断裂，不能充分发挥织物的特性；树脂基体含量过低，则界面粘接不牢固，不能有效地传递应力波，弹击后，结构分层破坏严重，影响抗弹效果。试验表明，树脂基体含量在25%～35％时，抗弹效果好。
5 结 论
(1)纤维模量会对复合材料的能量吸收产生影响，高模量可以保证高的应变波速，但实际应用中，以中等模量为佳。
(2)对纤维表面进行处理，可以提高抗弹性。
(3)树脂基体韧性好，复合材料层间粘接强度高，抗弹性能好；树脂含量以25%～35％为宜。
(4)以钢板为弹击面的靶板抗弹性明显好于以AFRP为弹击面的靶板。
(5)对钢板表面进行喷砂及复合溶液处理，界面粘接牢固，弹击后安全性高。
