柔性材料的抗弹机理

郭一谚 姜玉海 郭 瑞

（1．中国兵器集团第五二研究所烟台事业部，山东 烟台 264003；2．沈阳地区驻包头第一军代室，内蒙古 包头 014033）

综合使用高科技和高性能材料的现代武器装备，其灵活性、杀伤性、威慑性和精确打击能力不断提高，而防护装备既要考虑抗打击能力，又要考虑装备的机动性，因而促进了新型复合材料的发展。与传统的钢质防护相比，多层复合轻质装甲中使用的柔性材料质量更轻（面密度更小），防弹能力却更加优异，是轻质复合装甲的理想材料。

1 常用柔性材料

经过二维或三维编织制备的柔性材料具有较强的拉伸强度和高模量。柔性材料增加了纤维密度，吸收的冲击能量越多，弹道极限越小，在工程防护、汽车制造航空航天和武器防护等方面有广泛的应用[1]。如美国陆军Bradley战车的炮塔装甲，英国Plastechnol公司的轻型复合材料的装甲板[2]。在轻质防护中常用的柔性增强复合材料有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯等，见表1。

表1中，常用的这几类柔性材料质量轻、模量高、抗冲击强度高、断裂韧性好、耐腐蚀且耐高温湿热性能好，在受到冲击破坏时能够有效地吸收能量。

表1 常用柔性材料

2 柔性材料的抗弹机理

当今的制备工艺能够把大块面积的原材料制成直径微小的纤维丝，以弹性弯曲的形式附着在复杂模型表面上，便于把强度高、刚度大的材料加工成复杂的模型，获得更高的强度，断裂比率也减到更小。据典型的弹性假设，轴向应变可表示如公式（1）所示。

式中：d为纤维丝的直径；ρ为弯曲纤维丝的曲率。

例如直径为7 μm的纤维丝制成曲率2.54的弯曲，此纤维丝的轴向应变是1.38×10-3。这种方法在不损伤纤维 的情况下可以成型很小的复合材料零件[3]。

构成柔性材料的纤维丝最常见的结构包括：1）线性同向铺排。2）经线、纬线以一定的角度二维交织，如平纹、缎纹。3）三维编织。

对于柔性材料常见的平行排列纤维束的形式，1986年美国提出了关于简单的平行排列纤维束的横向压缩的弹性形变模型对线性流体剪切力与形变速率的关系，如公式（2）所示。

式中：α单元体受力点的取值为i或j=1时α=L（纵向），其他情况下α=T（横向）；τij=0时所有轴向应力都做弹性处理；dx为纤维的直径；η为线性流体剪切力。

近几年，随着对其特殊力学性能和抗冲击吸能效果的认识逐渐加深，学者们对柔性材料的抗弹机理进行了许多研究，确定了影响材料抗弹性能的是纤维丝的剪切和拉伸变形[4]。无论是二维形式交织的纤维丝还是三维形式交织的纤维丝，柔性织物的相交纤维丝形成的最小单元体在某点受到冲击都会产生形变，如图1所示。

在形变的过程中，纤维丝长度和单元体的高度随之发生变化，单元体在相交的2个方向都会产生形变，如公式（3）所示。

式中：L、h分别为单元体的着力点受力时，单元在形变后的长度和高度；Δx、Δy分别为单元体受力时纤维在x、y方向的变化。

ex（e1、e2）与纤维丝横截面面积A及纤维束的体积含量相关的经验公式如公式（4）所示。

式中：Vf为变化后平均纤维体积含量；V0为变化前平均纤维体积含量；A0为变化前纤维丝横截面面积；h0为变化前纤维高度。

可以看出，与线性同向平行铺排的纤维束只有纵向剪切和横向剪切两种受力模式不同。在平面交织的纤维中，经纬方向以角度90°交叉编织的平纹织物，其单元体在经、纬方向的交织频率最高，每个单元体以更紧密的方式排列组合。由于纤维丝的屈曲程度较大，每个着力点受到的力在经、纬方向传递效率最高，因此能形成柔韧性更大，整体性结构更强的织物[5]。

单层织物在受到冲击时，主要经历吸能的四个阶段：1）被拉直的纤维丝束对冲击力产生的阻力随着冲击力的增大而增加。2）当少量的纤维丝断开，相邻的纤维丝束会向着力点聚集，更多的纤维丝束产生应变力，形成对冲击力的阻力，冲击力被集中在较小范围内。3）随着时间的增加，当纤维丝束受力达到峰值后，越来越多的丝束被拉扯断，着力点外围的纤维不断地向着力点周围补充，使冲击力受到的阻力再次增大。4）直到断裂口增大到能够彻底穿透织物，来自纤维丝束的阻力才急剧下降，冲击物与纤维丝之间只剩少量的摩擦力。

3 试验

柔性材料主要是利用纤维丝束的塑形变形和断裂来吸收冲击的动能。纤维束之间的内摩擦也可以改变最大应力的分布状态，增加对弹丸冲击的阻力。利用多层纤维织物叠铺的多层结构，可以最大限度利用纤维吸能特性，避免应力集中，加快纤维对冲击力的响应速度[6]。但是叠铺层结构的纤维层与层之间容易发生滑移现象，通常用胶黏剂把多层的纤维复合成多层复合材料，胶黏剂渗入纤维丝束间的孔隙中，使纤维丝束结合更加紧密。

3.1 柔性材料试验

在实弹试验中，用胶黏剂把多层的某柔性材料复合成12mm厚度的复合靶板，采用100m/0°防53式7.62mm穿燃弹，弹丸以V25≥781 m/s的速度高速冲击四角固定的纤维复合材料靶板，试验结果如图2所示。

从图2可以看出，纤维复合材料在弹丸的冲击下出现了特有的侵彻贯穿、分层破坏、剪切充塞和拉伸断裂现象。纤维复合材料迎弹面的剪切破坏和背面隆起变。

在弹丸侵彻的过程中，纤维丝在弹丸高速剪切的作用下沿着经、纬方向发生剪切破坏、断裂。应力波在纤维丝束之间连续反射，形成拉伸并破坏纤维丝束。分析未穿透着弹点的层间弹孔的2张试验照片，即图2（d）和图2（e）可知，交错的纤维丝束的拉伸力和阻力之间的相互作用使应力波在整个复合材料层上传播，弹丸的冲击力被复合材料大面积吸收，复合材料的前层发生充塞，应力波在隔层之间不断地来回反射、迭加。

随着纤维丝束断裂，复合材料粘层分层，弹丸完全贯穿复合材料后继续向前运动，纤维丝束也因惯性随着弹丸向前运动，在应力波作用下发生相对运动和一定程度的弹性变形。弹着点附近的纤维因相对运动和弹性变形出现了以弹着点为中心的鼓起，如图2（f），复合材料产生了形变。

弹丸在侵彻过程中，柔性材料纤维丝束的阻力使弹丸受到压缩，当此作用的强度达到弹丸本身的屈服强度时，弹丸就会发生塑形变形。纤维复合材料的整体力学强度如公式（5）所示。

式中：fs为复合材料的最大阻力；ρA0为纯纤维面密度；ρAs为复合材料面密度。

从图2（c）可看出，纤维复合材料离弹着点最近的边缘明显发生分层、开裂。如图2（d），弹丸大约穿透第12层时，冲击能量被完全消耗，至第13层即图2（e），已经看不到弹着点的痕迹。随着时间的增加，纤维复合材料背部的鼓起增大，当达到最大时，纤维的相对运动和弹性变形逐渐减小、消失，纤维复合材料背部的鼓起也逐渐定型。

3.2 复合多层结构中的作用

在实际应用中，需要根据抗弹需求采用合理的结构，例如用柔性材料与高硬度、高抗压强度的材料复合成多层结构的轻型复合装甲，如图3所示。

高强度、低韧性的材料可有效消耗弹丸的冲击动能，促使弹丸变形甚至破碎。但这类轻质材料易碎、抗拉强度低，作为防护装甲单独使用会形成飞溅的碎片，可通过与柔性材料组合，形成多层复合结构。通过上述试验结果可知，在抗弹的进程中，柔性材料与异性材料复合靶板中的柔性材料可以阻止高硬度材料的崩落，约束其碎裂飞溅方向，使碎片仅沿轴向在小范围内逆弹丸方向飞溅，再次形成对侵彻弹丸的阻力，消耗更多的弹丸动能，又可以通过纤维丝束塑性变形和断裂来吸收弹丸的冲击能量，总体上大幅度降低了复合装甲的面密度，提高了多层结构的抗弹性能。因此，综合性能优异、可塑性强的柔性材料在装甲防护中日益得到广泛的应用。近几年来，随着对柔性材料特殊力学性能和抗冲击吸能效果的认识逐渐加深，学者们对纤维复合材料的抗弹机理展开了许多研究，例如：梁子青的《超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究》确定了影响纤维复合材料抗弹性能的是纤维的剪切和拉伸变形，等。由于纤维束编织的纤维织物的面密度只有1.1×103kg/m3，在装甲防护材料向着轻量化、多功能、智能化方向发展趋势下，因考虑实际需求，在很多种类型的柔性材料中选择参数适合的材料。

4 结论

虽然柔性材料类型繁多，材料性能偏重不同，根据轻型复合结构的抗弹性能的经验值和上述的抗弹试验都发现了：1）在高速冲击下，复合层通过脱黏、分层、拉伸、断裂、开裂的方式吸收弹丸的冲击动能。2）其柔性材料复合的厚度小于两倍弹径时，随着厚度增加抗弹性能增加，且呈线性变化。3）柔性材料复合达到一定厚度，再增加厚度，抗弹性能却在下降（不同类型的材料厚度的上限不同）。4）柔性材料与异性材料复合，能降低复合装甲的面密度、吸收弹丸的冲击能量并且对其他材料起到约束和支撑的作用。具有优异的综合性能、可塑性强。

由于柔性材料优异的综合性能和可塑性，且具有上述抗弹特征，在装甲防护材料向着轻量化、多功能和智能化方向发展的趋势下，密度小的高性能柔性材料以其较强的拉伸强度和弹性模量、优异的耐疲劳和抗冲击性能成为极具发展潜力的新型装甲复合材料。