防弹无纬布的研究概况

马华菁 时娟娟 沈文东 曹海建 黄晓梅

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.江苏锵尼玛新材料股份有限公司，江苏南通，226400）

1 无纬布的概况

目前国内外主流的无纬布是采用超高分子量聚乙烯（以下简称UHMWPE）纤维或芳纶为基材，经特种设备均匀铺丝，用高强弹性体树脂浸渍涂胶和薄膜黏合，再经0°、90°双正交复合层压而成的高强、质轻防弹材料，是制作高性能软质防弹衣的核心材料［1］。无纬布能够快速吸收、扩散子弹高速冲击波，具有较好的防弹性能［2］。

当织物受到子弹或弹片冲击时，应力波在织物内部快速扩散。机织物中纱线的交织点会反射应力波并与入射波叠加，叠加后的应力波会造成纱线断裂，从而降低织物的防弹性能［3］。在没有交织点的材料上，应力波能够快速消散，从而获得较好的防弹效果。无纬布中纱线没有真正的交织点，因此具有良好的防弹性能。

2 无纬布的成形工艺

目前，制备无纬布的形式主要有无纬布大批量生产线和辊筒式无纬布机两种。国内企业自主研发且应用的是防弹无纬布间歇式生产装置，由一名操作工利用单台机器完成全部工序；实验室制备无纬布则大都采用辊筒式无纬布机。顾冰芳等人在无纬布机上压制了UHMWPE无纬布叠层［4］20；李焱等人利用排布设备使UHMWPE纱线退绕后浸胶，经卷绕成为单向纤维层，裁切后以0°、90°相互层叠并模压制成了无纬布［5］7。

3 无纬布的力学性能

无纬布的力学性能包括拉伸、剥离、剪切等基本力学性能。

温垚珂等人研究了无纬布准静态载荷下的力学性能，以UHMWPE无纬布为研究对象进行了一系列的力学试验［6］，结果表明：在拉伸过程中试件的应力应变基本呈线性变化，面内剪切试件的力-位移曲线呈非线性变化。ZHENG Zhen等人采用T-剥离试验对UHMWPE纤维/SEBS的界面黏结性能进行了测试［7］，结果表明：对于单膜和无膜无纬布复合材料，压力的变化比温度的变化更为显著。LI Chen等人对UHMWPE纤维层合板进行准静态拉伸测试［8］，结果表明：层合板的力学性能对厚度不敏感，而层合板的弹性模量及强度都随应变速率的增加而增加。LINUS Gediminas对UHMWPE纤维层合板进行了拉伸试验［9］，结果表明：UHMWPE纤维层合板的拉伸有明显的断裂点和线性延伸性。RUSSELL B P等人采用压电式力传感器装置对UHMWPE纤维层合板进行了力学性能测试［10］，结果表明：UHMWPE纤维层合板中纤维的破坏强度和破坏应变对应变率几乎不敏感，在低应变率下，层合板中纤维的蠕变占主导，其破坏应变随着应变率的降低而增加。刘元坤等人对芳纶无纬布进行了剥离试验，测试了其层间黏合力［11］77，结果表明：纤维退绕张力与纤维强度损伤呈线性关系；认为在制备时张力应尽可能小，但同时也要保证无纬布的各项性能。

4 影响无纬布防弹性能的因素

影响无纬布防弹性能的因素主要包括纤维混杂、纤维的展丝宽度、成形温度及压力、树脂含量、树脂种类、面密度、层数等。

4.1 纤维混杂

无纬布中不同纤维的比例、混杂结构对弹道冲击下的防弹效率有着重要的影响。梅志远等人对3种层间混杂层合板的防弹效率及其横向防弹模式进行了研究［12］，结果表明：不同混杂结构的纤维层存在吸能变形模式和防弹机理差异，且会影响不同混杂结构防弹效率的发挥。

4.2 纤维的展丝宽度

纤维展开得越宽，越能发挥其防弹性能，利用率越高，但在实际生产中纤维被展开得越宽，需要的牵引力越大，对纤维的性能损伤也越大，从而会降低其防弹性能。因此，确定合理的展丝宽度对无纬布是十分重要的。方心灵等人研究了不同展丝宽度芳纶无纬布的防弹性能，结果表明：在弹速基本相同的情况下，芳纶展丝宽度在2.0cm～3.0cm时，无纬布的凹陷相对较小，穿透层数相对少，此时的靶片防弹性能较优；但当芳纶展丝宽度超过3.0cm时，靶片的防弹性能有所下降［13］。

4.3 成形温度及压力

成形温度对无纬布的制备十分关键。由于无纬布在弹击时的弹道吸能主要是依靠无纬布中的纤维拉伸破坏，因此在成形过程中不可损伤纤维强度，而成形温度将直接影响材料中纤维的拉伸强度。例如UHMWPE纤维，该纤维中晶区与非晶区同时存在；当成形温度较高时，纤维中的晶区会转化为非晶区，使纤维的结晶度降低，导致强度下降。对于芳纶无纬布，刘元坤等人的研究表明：层间黏合力随着温度的增加先升高后降低，当层间黏结力在20 N时，芳纶无纬布的防弹性能最佳，复合处的最佳工艺温度为80℃［11］79。

成形压力对于无纬布防弹性能的影响也较为突出。对于UHMWPE无纬布靶板，孙志杰等人对不同成形压力的无纬75靶板进行弹道测试［14］，结果表明：成形压力在2.5 MPa以下，纤维层间的黏合强度不够，压力越小，分层越严重，吸能越小；当压力升高到一定程度后，层间比较紧密，纤维与树脂之间作用增强，有利于应力波的传播，随着压力的升高，吸能增大；当压力达到12.5 MPa时，此时靶板的弹道性能最好；此后，随着压力的增大，树脂开始向层间渗透，致使靶板刚度提高，参与拉伸的纤维减少，剪切破坏的纤维增多，吸能下降。方心灵等人研究发现，当芳纶无纬布的成形压力为1 MPa时，其防弹性能较差，当压力提高到4 MPa时，靶板的防弹性能提高，当压力超过5 MPa时，靶板的防弹性能明显下降［15］22。

4.4 树脂含量

树脂的含量影响着复合材料的防弹性能。树脂含量太低，不能够很好地被覆纤维，纤维较松散，且纤维层间黏接强度过低，在子弹的高速冲击下纤维易滑移，导致参与防弹的有效纤维减少，从而降低复合材料的防弹性能［16］。

方心灵等人对30层芳纶无纬布进行弹道测试，结果表明：当无纬布树脂含量在15%～25%时，树脂能够很好地被覆纤维，纤维间黏合较好，层与层之间的强度也较高，在受到子弹冲击时纤维和树脂协同作用较好，靶片整体防弹能力较高；当树脂含量低于15%时，树脂不能很好地被覆纤维，纤维层间黏合较差，纤维间束缚力过小，在受到子弹冲击时纤维易被子弹挤向两边，子弹从纤维孔隙穿过，层间力较小也使靶片容易分层，防弹性能较差；当树脂含量高于25%时，纤维排列有序且外观平整，但较高的树脂含量束缚了纤维拉伸性能的发挥，纤维脆化，纤维层间剥离强度过大，当受到子弹冲击时纤维会大量剪切断裂，从而降低了靶片的防弹性能［15］23。

陈磊等研究发现，防弹材料中所用树脂含量一般在30%以下［17］。方心灵等人的研究也表明：当树脂含量为20%左右时，芳纶无纬布的防弹性能最好［13］41。

李焱等人制备了不同含胶量的水性聚氨酯/UHMWPE纤维无纬布，测试结果表明：当无纬布中树脂含量在24%左右时，其防弹性能达到最大值，树脂含量继续增加，其防弹性能下降［5］7。

4.5 树脂种类

树脂对防弹无纬布的作用在行业内有统一的认识。树脂将纤维黏结在一起，使无纬布作为一个整体承受外部载荷，将能量从靶板上表面传到下表面、从最前端传到最末端；在子弹的冲击下，树脂会产生裂纹，吸收小部分子弹能量和弹体动能［18］。

对于不同的增强体，所用树脂要求不同。UHMWPE纤维无纬布所用树脂要求：一是能提高界面黏合力，具有良好的浸润性；二是固化温度不能高于120℃，这是由于UHMWPE在熔点150℃以上处于橡胶态，延展性差，受力易断裂，对无纬布的防弹性能影响较大，且树脂所用的溶剂必须低毒、易挥发［19］。

对于芳纶无纬布，方心灵等人研究了树脂组成和化学用途，对比了不同树脂复合而成靶片的V 50值［20］，结果表明：苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯共聚物的V 50值高于氢化苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物的V 50值。

4.6 面密度

周庆等人采用对位芳香族聚酰胺纤维和环氧树脂复合制备了系列无纬布［21］2246，防弹性能测试结果表明：对于各项参数相近的靶片，其防弹性能随着单层面密度的增大呈现整体上升、局部波动的趋势。陈虹等人制备了不同面密度的芳纶无纬布靶片，测试了其V 50值以及相应的比吸能值［22］，结果表明：随着无纬布面密度的降低，相应靶片的比吸能值先增大后减小，当靶片面密度为210 g/m2时，防弹性能最好。

顾冰芳等人对不同层数的UHMWPE无纬布靶板进行了弹道性能测试［4］22，结果表明：随着面密度的增加，靶板的抗侵彻性能也随之提升，但不同的弹道性能指标与面密度的关系不同，弹道极限速度与靶板面密度基本呈线性关系；弹道吸能值与靶板面密度呈二次抛物线关系。

4.7 层数

靶片的防弹性能受无纬布层数的影响。层数越多，其纤维的数量也就相对越多，当靶片受到子弹冲击时，穿透的无纬布通过纤维断裂、布样分层消耗子弹的冲击能量，同时未穿透的无纬布起到了能量分散的作用［23］。

5 无纬布的防弹机理

无纬布的防弹机理研究主要包括无纬布的抗侵彻贯穿特性、材料的防弹机理等。

周庆等人研究了对位芳香聚酰胺纤维环氧树脂层合板［21］2236，结果表明：4层单向结构片材的弹道性能优于两层单向结构片材，主要是因为4层单向结构片材中纤维层之间协同效应更强。

熊杰等人对PVA无纬布靶板进行了弹道性能测试，结果表明：靶板冲击穿孔以后产生大的残留变形，出现明显分层，在子弹速度接近靶板的弹道极限速度时，PVA无纬布靶板以塑性大变形、分层和纤维断裂来吸收能量；锥形弹体在侵彻过程中，周围的纤维与树脂受挤压而产生变形；与弹体表面接触或靠近锥体表面的纤维以及靶板背面鼓凸区域的纤维均随着弹体的侵彻而被拉伸；纤维断裂前，应力沿着纤维向外传递，使纤维与树脂脱黏；由于纤维颜色比树脂颜色浅，从而形成一个“十”字形向外延伸的泛白区域［24］。

王绪财等人研究了UHMWPE无纬布在多弹丸作用下的弹道性能、结构损伤和变形破坏特征，结果表明：经多发子弹侵彻后，靶片的防弹能力明显下降，且分散性随之变大；结构紧密的样品对弹丸产生的阻力远大于结构疏松样品产生的阻力［25］。

VAN Der Werff等人测试了UHMWPE无纬布的弹道性能，认为穿透机制是一个渐进的过程。穿透的无纬布片数和弹片冲击速度之间存在线性关系，当弹片穿透一层无纬布时会损失一定量的冲量，而不是能量，且弹片冲量的损失与弹片在无纬布上的冲击速度无关［26］。

TOMASZ Cwik等人对芳纶无纬布、UHMWPE无纬布进行了弹道性能测试，结果表明：在冲击时弹片不会影响无纬布的面内响应，但会影响面外响应；芳纶无纬布靶板的前表面在弹丸穿透过程中经历了小于1%的拉伸应变；靶板背面的初级和次级纱线受到的应变不超过2%，且与冲击速度无关；芳纶无纬布靶板的剪切变形大约是UHMWPE无纬布靶板的两倍［27］。

TAYLOR J W和MORYE S S等人提出了相似的柔性层合板弹道冲击吸能分析模型，认为柔性层合板在弹道冲击下，在冲击点附近会形成锥形区，层合板的弹道吸能主要由纤维的拉伸断裂应变能、纤维层的变形动能组成［28-29］。

焦亚男等人、杨坤等人发现高速钢芯弹侵彻纤维增强树脂基复合材料装甲板是逐层侵彻破坏的，装甲板的破坏方式主要为迎弹面纤维剪切冲塞、中部纤维拉伸后断裂、背弹面纤维拉伸并伴随分层和背凸［30-31］。

杨丽丽等人研究了UHMWPE层合板的抗侵彻性能与靶板厚度的关系，认为随着靶板厚度的增加，其吸能也随之增加，但有一个拐点；在拐点之后，靶板厚度的增加反而使靶板吸能降低，也即防弹性能变差；通过测试0.4cm、0.6cm和0.8cm的靶板抗侵彻性能，认为0.6cm是靶板厚度拐点，此时靶板的抗侵彻性能最优［32］。

6 相关防弹标准

与无纬布软质防弹材料相关的标准主要有美国的NIJ 0101.06《防弹服防弹性能》和我国的GA 141—2010《警用防弹衣》、GJB 4300A—2012《军用防弹衣安全技术性能要求》［33-34］。美标和国标在防护等级、枪弹类型、子弹速度以及凹陷深度等方面有差异。

美国的NIJ 0101.06按照防弹性能水平，对防弹服分5种类型，分别为ⅡA型、Ⅱ型、ⅢA型、Ⅲ型和Ⅳ型。其中，最常用的为ⅢA型，所用的枪弹类型为9 mm 0.357 SIG手枪全金属外壳平头（FMJ FN）枪弹，弹速为448 m/s，或0.44 Magnum转轮手枪半外壳空心头（SJHP）枪弹，弹速为436 m/s。要求最大凹陷深度不大于44 mm，每种威胁情况背衬凹陷深度超过44 mm的几率小于20%，可信度达到95%。

GA 141—2010按防护要求将防弹衣分为6个等级，分别为1级、2级、3级、4级、5级、6级。其中，2级和3级最常用。2级的枪弹类型为1951年式7.62 mm铅芯手枪弹，弹速为445 m/s；3级所用枪弹类型为1951年式7.62 mm轻型冲锋枪弹，弹速为515 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。GJB 4300A—2012根据不同弹道防护性能要求，将军用防弹衣防护等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。其中，最常用的是Ⅱ级，所用的枪弹类型为1951年式7.62 mm铅芯手枪弹，弹速为445 m/s，要求最大凹陷深度不大于25 mm。

7 结语

本研究从无纬布的制备、力学性能、防弹性能、防弹机理以及防弹标准等方面介绍了近年来国内外学者对无纬布及其制品的研究概况，希望为从事无纬布及防弹衣研发的科研工作者提供技术参考和研发思路。从国内外诸多学者的研究中也可以发现，对无纬布及防弹衣仍有一些领域需要探究。首先，已有的研究大多集中在宏观力学层面上，难以准确地反映无纬布的细观损伤行为，因此需要建立无纬布细观力学本构模型。其次，需要研制相关测试仪器，以便于深入测试和分析无纬布的弹道损伤机理及能量吸收机制，为优化无纬布的性能提供理论指导。