纤维增强防弹复合材料的应用及研究现状

关键词：纤维复合材料；防弹机理；界面性能

1 高性能纤维在防弹材料中的应用

碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维被称为当今世界三大高性能纤维，被广泛应用于防弹材料领域，它们的优缺点明显：碳纤维的比强度和比模量高，但其抗冲击性能差、吸能较低、易损坏，很少单独作为防弹材料使用；芳纶纤维具有高模量、高韧性的优点，但其横向强度低、剪切性能和压缩性能不好；超高分子量聚乙烯纤维密度低、比模量高、比强度高、抗冲击能力强，但其耐热性较差^[1-3]。因此，对不同纤维进行混杂组合，扬长避短，充分发挥它们特有的性能优势，是未来纤维复合材料在防弹材料领域的发展趋向之一。

1.1 碳纤维

碳纤维是用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成，类似于微晶化的多环芳香族的结构，含碳量在90%以上，耐高温性超过其他纤维。其密度为1.5～2.0g/cm³，轻质、耐腐蚀、耐摩擦、抗老化，具有良好的导热、导电性能，可以加工成各种织物。区别于常见的碳素材料，虽然其质地柔软，但沿纤维轴向比强度高、比模量高，拉伸强度是钢的8倍左右，弹性模量也超过钢材^[4]。然而其韧性差、易损坏，与其他高性能纤维相比，抗冲击性较差，因此常作为加强部分与其他高性能纤维复合材料进行复合以起到增强效果，一般很少作为单独的防弹材料使用。碳纤维的基本性能如表1所示^[5]。

1.2 芳纶纤维

芳纶纤维由芳香族聚酰胺树脂制成，相比于碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维，其密度较小，为1.44g/cm3；具有高强度、高模量的特点，比强度和比模量是钢材的10倍；其抗冲击性强、韧性好，具有良好的化学稳定性能，可设计性强，工作温度为160℃左右，玻璃化温度为250～400℃，热稳定、阻燃性好，具有一定的化学惰性（但不耐强酸、强碱）。不过，其抗剪强度不高，只有拉伸强度的1/17；抗压强度不高，只有拉伸强度的1/5；且其耐光性差、溶解性差、吸湿性强。芳纶纤维的基本性能如表2所示[6]。

芳纶纤维主要被划分为芳纶Ⅰ（聚对苯甲酰胺纤维）、芳纶Ⅱ（聚对苯二甲酰对苯二胺纤维）、芳纶Ⅲ（杂环芳香族聚酰胺纤维）三种^[7]。芳纶Ⅱ压缩强度低，遇光会导致力学性能下降和褪色，吸湿性强，需密封储存。相比于芳纶Ⅱ，芳纶Ⅲ纤维分子链中的杂环结构能使纤维与树脂之间结合得更好，其强度高和模量高，耐高温、耐磨损、耐冲击、耐热性好，不易蠕变，防弹性能更优异。芳纶Ⅱ广泛应用于欧美地区，我国也已经将芳纶Ⅲ广泛应用于防护产品之中。

芳纶纤维因其优异性能而应用广泛，芳纶/金属复合材料、芳纶/陶瓷复合材料广泛应用于警用装甲车、运钞车、防护盾牌等。Palta等^[8]将芳纶纤维复合材料与防弹钢板组合制备成混杂装甲板，相比纯钢板装甲板，其防弹性能显著提升，并且能减重26%。Mckee等^[9]结合弹击实验和有限元模拟，分别研究了芳纶纤维机织物和芳纶纤维针织物的吸能模式和防弹性能。Gurgen等^[10]和Majumdar等^[11]发现芳纶织物浸渍剪切增稠溶液（STF）后能显著提高其防弹性能，前者通过材料微观形貌分析认为STF通过增加芳纶织物内纱线之间的摩擦力能提升其防弹性能；后者认为芳纶织物/STF复合材料是一种防弹性能更加优异的软质防弹衣材料。李永国等^[12]研究了芳纶纤维和钢板复合防弹材料，钢板比芳纶纤维更适合作为迎弹面的材料，其防弹性能与树脂含量、界面粘接强度有关，最佳树脂含量在30%左右，可以通过表面处理法提高界面结合强度。张佐光等^[13]的研究表明，缩丁醛及聚乙烯树脂基体和芳纶复合具有良好的匹配性，界面结合性好，层间剥离强度大；环氧及酚醛类树脂基体与芳纶界面结合较好，由于层间基体变形小，对芳纶纤维通过变形吸收能量起到了限制作用，从而导致防弹性能下降。

1.3 超高分子量聚乙烯纤维

采用凝胶纺丝法，超高分子量聚乙烯纤维由相对分子量大于100万（1×106～6×106）的超高分子量聚乙烯制备而成，其主链结合强度大，结构规则，晶体强度和结晶模量的理论值分别为31GPa和316GPa。超高分子量聚乙烯纤维密度为0.96～0.98g/cm³，是已开发出来纤维中最低的、比模量和比强度最高的纤维；其抗拉强度比芳纶纤维高40%，是钢丝绳的15倍，比强度比芳纶纤维高35%；其韧性高、耐磨性好、自润滑性能优异，吸水率低于0.01%，化学稳定性好，具有很强的化学惰性，可以耐强酸、强碱溶液及有机溶剂；其耐火性好、耐紫外线性能优异，环境适应性更好。但作为非极性材料，超高分子量聚乙烯纤维内部易发生纤维高度取或结晶现象，会形成一层厚度在10～100nm的弱界面，降低了纤维与树脂的界面结合性能^[14]；且其表面黏附性差、蠕变性高、耐热性较低，一般在-150～100℃时使用。总之，它的出现极大程度提升了纤维复合材料的防弹性能^[15]。

式中：V 为应变波速，m/s；E 为弹性模量，GPa；ρ 为密度， g/cm³。

由式（1）可知，材料的应变波速与密度成反比，超高分子量聚乙烯纤维的应力波传递优于其他纤维，在受到冲击时的能量吸收效果较好，故防弹性能更好。面密度相同时，超高分子量聚乙烯纤维复合材料的冲击总吸收能量分别是碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维的1.8倍、2.6倍和3.0倍；超高分子量聚乙烯纤维的防弹能力比芳纶纤维高约25%；同样，满足防弹标准的超高分子量聚乙烯纤维头盔和芳纶纤维头盔，前者要减重40%左右，因此超高分子量聚乙烯纤维被认为是目前防弹性能最好的材料之一^[16]，被广泛应用于软质防弹衣、防弹头盔、运钞车和装甲车辆等。超高分子量聚乙烯纤维的基本力学性能如表3所示^[15]，与其他纤维的基本性能比较如表4所示^[5]。

1.4 PBO纤维

PBO纤维被誉为“21世纪超级纤维”，其质地柔软，耐冲击性、耐高温、不燃烧、抗老化、耐摩擦和尺寸稳定，物理和化学性能优异，可作为新一代的防弹材料[17]。相比其他纤维，其拉伸强度和拉伸模量极高，拉伸强度和模量比芳纶纤维高1倍，其许多物理和化学性能超过了其他纤维，是最有发展潜力的新生代纤维复合材料，因此引起了众多学者的广泛研究。1998年PBO纤维在日本开始工业化生产，紧随其后，我国是第二个能工业化生产PBO纤维的国家。PBO纤维的基本性能如表5所示[18]。

1.5 混杂纤维

防弹材料对防护性能和轻质化要求的提高，使用单种材料很难达到较高的防弹性能效果，因此要进行材料性能的互补、混杂组合。充分利用各纤维的优势，得到最佳的防弹性能，已成为防弹材料领域的研究重点。

Pandya等^[19]的研究表明，玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料的抗弹性能明显优于单一的碳纤维或玻璃纤维复合材料；Mohammad等^[20]通过有限元分析方法发现材料在不同位置时的抗弹性能有所不同，在碳纤维层合板被弹面复合四层芳纶纤维复合材料时，其性能提高67%，可根据厚度方向不同的破坏模式使用不同的材料进行混杂，从而提升整体防弹性能；黄英等^[21]以陶瓷为迎弹面、纤维复合材料为背弹面进行复合，发现这种组合方式能充分发挥陶瓷高强度、高硬度和纤维复合材料高韧性的优势，最大限度地吸收能量；朱锡等^[22]分别对芳纶纤维、玻璃纤维及不同混杂比例的芳纶纤维/玻璃纤维混杂复合材料进行弹道试验，发现芳纶纤维/玻璃纤维混杂复合材料比单种材料的防弹性能更加优异，并得出两者之间的最佳混杂比例；Park等^[23]对芳纶纤维/玻璃纤维混杂复合材料进行弹击实验，发现两者的混杂方式与比例影响了混杂复合材料的防弹性能，其中芳纶纤维的变形大于玻璃纤维的变形；肖文莹等^[24]对Kevlar/UHMWPE混杂纤维复合材料进行弹击实验，发现以芳纶纤维为迎弹面，且混杂比例为1∶2时，有较好的防弹效果。

2 纤维复合材料的防弹机理

2.1 弹体的侵彻过程和破坏模式

与金属、陶瓷材料不同，树脂基纤维复合材料属于吸收能量型的防弹材料。根据树脂基纤维复合材料的组成，其对应的主要破坏方式为纤维结构破坏、树脂基体破坏和界面破坏，如纤维的拉伸与剪切、纤维和树脂的脱粘、分层、基体开裂等。其中，纤维断裂由纤维的抗拉强度和抗剪切强度所决定，基体破坏主要由基体的力学性能决定，分层主要与纤维编织结构以及界面粘接强度有关^[14]。

肖文莹等^[24]、周庆等^[25]、Liu等^[26]认为纤维复合材料在受到弹体侵彻时，主要会发生纤维的拉伸断裂与剪切破坏、变形与分层以及弹体与复合材料的高速摩擦等吸收能量；Alia等^[27]认为材料的主要吸能方式是发生局部变形和纤维断裂，而通过分层吸收的能量较少；何业茂等^[28]研究了混杂纤维复合材料的破坏方式，认为水性聚氨酯基玻璃纤维以剪切和纤维拉伸断裂破坏为主，超高分子量聚乙烯纤维或芳纶1414纤维混杂复合材料以纤维的抽拔、剪切、拉伸断裂和分层破坏为主。

目前，主流观点认为混杂纤维复合材料迎弹面主要发生剪切破坏，被弹面主要发生拉伸破坏，因此复合材料的迎弹面可采用硬度高、刚度大、剪切强度大的材料，而被弹面应选择拉伸强度大、断裂伸长率高的材料，最大限度地吸收能量。Cantwell等^[29]建立了弹体侵彻纤维复合材料的模型，如图1所示。

模型将弹体侵彻过程划分为三个阶段。（1）Ⅰ阶段。由于弹体的高速压缩应力，材料被瞬间压缩到极限厚度，伴随着纤维发生剪切破坏消耗弹体部分能量，产生了大量的颗粒，此时弹孔较整齐规整，基本呈现圆形。（2）Ⅱ阶段。伴随弹体进一步侵入，复合材料发生变形，继续消耗弹体能量，纤维发生拉伸破坏。（3）Ⅲ阶段。由于不同层的应力波的频率和强度会有所不同，材料会发生分层现象，此现象在弹体速度接近V50前较为明显，分层消耗大量弹体能量，并且如果纤维没有被拉断，会出现“背凸”现象，使弹孔不规则，大量纤维被拔出，纤维出现原纤化，局部纤维主要受拉伸断裂破坏，弹体的高速动能转化为纤维的断裂能^[24]。

2.2 应力波在纤维复合材料中的传播

沈峰等^[30]从应力波的角度分析了弹体侵彻过程，弹道侵彻产生的应力波沿两个方向传播，一是在纤维轴向上以连续的脉冲传播，应力波通过树脂及交错点的相互作用在很多纤维上扩散传播，在较大面积上损耗能量；二是应力波在纤维纵向上传播，应力波在纤维和基体界面及自由面之间连续反射传播，压缩应力变成拉伸应力，使层合板分层，材料吸收能量；伴随弹体侵彻的进行，纤维不断受到拉伸，当其大于最大断裂伸长率时，纤维会发生断裂，然后弹体进入下一层，继续消耗能量。其应力波传递过程如图2所示。

应力波的传播体现为材料中质点的速度及其应力、应变状态的变化，冲击波在材料中的传播速度越快，材料吸收能量的能力越强，抗侵彻能力就越强。而且因为不同材料的应力波传播速度不同，所以材料的防弹性能也不同。纵波和横波在弹性体中的传播速度如下式^[31]：

式中：V1为纵波速度，m/s；V2为横波速度，m/s；ρ为密度，g/cm³；E为弹性模量，GPa。

Tasdemirci^[32]分别研究了应力波在弹性材料和塑性材料中的传播规律，发现应力波在产生塑性变形的材料中传播较为规则；Abrate^[33]的研究表明，当应力波在两种及以上不同的材料中传播时，在不同材料的界面处会产生入射波和反射波；曾黎明[34]和俞喜菊^[35]的研究表明，应力波在纤维中传播速度跟纤维的模量及其在复合材料中的状态有关，其模量越高、质量越低，应力波传播速度越快。

3 基体和界面性能对防弹性能的影响

3.1 基体对防弹性能的影响

树脂基体在复合材料受冲击过程中起到传递应力和均布载荷的作用，二者具有良好的协调和匹配性，并保证复合材料的刚性、结构完整性和良好的界面粘接强度^[36]。其种类与含量都会影响纤维复合材料的破坏模式和防弹性能，其中热塑性树脂主要是通过产生大变形吸收能量，而热固性树脂依赖于其刚度和强度。树脂含量过低时，界面粘接强度降低，纤维松散易产生滑移，受到侵彻时会导致间隙增大，产生界面粘接、分层破坏，降低了防弹性能^[37]；树脂含量过高时，易产生树脂基体内聚破坏，且其对纤维会有过多约束，影响了纤维的变形，不能充分发挥纤维的作用。为了充分吸收能量，树脂基体要有较高的断裂伸长率与纤维保持同步伸长和断裂，进而发挥其抗侵彻作用。

超高分子量聚乙烯纤维常与热塑性聚氨酯复合，其分子链中含有柔性官能团，具有较好的粘接性能和抗冲击性能，可以提升防弹性能，且当聚氨酯含量为24%时，其防弹性能最优^[38-39]。刘国权等^[40]发现当采用热塑性树脂作为基体时，随着树脂含量的增加，V50逐渐增加；而当采用热固性树脂时，V50会随基体体积含量的增加而下降。梁子青等^[41]发现超高分子量聚乙烯纤维可以采用多种树脂混合基体，其最佳树脂含量在25%左右，混合基体展现了优异的力学性能。对于环氧树脂/芳纶纤维纤维复合材料，其最佳树脂固含量在20%左右，环氧树脂/玻璃纤维纤维复合材料的最佳树脂含量在23%～30%，且其剥离强度、拉伸强度以及抗冲击强度三项性能均表现优异^[42-44]；当玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维采用热塑性聚酰胺6作为基体时，树脂含量在20%左右时，复合材料的抗冲击性能最优^[45]。

3.2 界面性能对防弹性能的影响

界面性能的研究是提高纤维复合材料防弹性能的重要途径之一，界面是介于纤维与基体之间的微小过渡区域，其化学成分发生变化时可以传递应力，性能直接影响着复合材料的最终性能^[46]；界面粘接强度过低时，纤维松易产生滑移，防弹性能下降，因此适当的界面粘接强度有利于提高冲击韧性，有效传递载荷，提高纤维复合材料吸收能量的性能^[40]。

Moon等^[47]、Anderson等^[48]通过氧等离子体、氧化石墨烯等对纤维进行表面处理，增加了纤维表面的官能团数量，提高了纤维的摩擦系数，进而提升了界面粘接性能；Cohen等^[49]将超高分子量聚乙烯纤维浸渍石蜡油，加热至149℃左右，在保证纤维力学性能的前提下，发现纤维表面粗糙度提高，其复合材料的吸能更好；郑震等^[50]发现电晕法可使纤维表面氧化产生微坑、表面交联等，引入含氧基团，增强纤维与树脂的作用力，消除弱界面，提高表面性能。

4 展望

由于纤维复合防弹材料应用于防弹领域具有独特优势，现已成为该领域的研究重点，并有着广阔的发展前景。然而随着防弹性能要求的不断提高，面对未来防弹材料多方面的高性能要求，其优化方向主要体现在以下方面。

（1）优化纤维与基体的力学性能。通过改变纤维分子结晶取向，提高纤维丝的力学性能。比如，优化成型工艺条件、添加功能材料（石墨烯、碳纳米管薄膜等）进行改性，提升纤维的力学性能；对树脂进行改性处理，或开发新型树脂，最终通过提升纤维和基体的性能，增强纤维复合材料的防弹性能。

（2）优化界面粘接性能。良好的界面粘接性能可以提高纤维和树脂基体的粘接强度，增强纤维复合材料吸收能量的能力。改善方法有物理法和化学法两类，如等离子体处理技术、化学氧化、物化交联、辐射、电晕法等，通过处理使其表面形成极性基团，可以有效地传递载荷，提高界面粘接强度；通过数值仿真建立界面粘接强度与防弹性能参数的本构关系模型，进行界面性能与其防弹性能关联机制的系统化、数字化研究。

（3）优化设计混杂纤维复合材料。面对今后防弹材料性能的多样化要求，需要改进单种材料、单一结构的纤维复合材料，通过大量试验数据及数值模拟进行优化设计，改变纤维的混杂种类、混杂方式、混杂比例等，扬长避短，充分发挥它们的性能优势，提升纤维复合材料的防弹性能，这也是未来防弹材料领域的研究热点和发展方向。

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