高温环境对防弹插板抗弹性能影响分析

聂嘉兴,程时雨,李忠盛,黄安畏,郭 峰,林 禹,李 鹏,吴永鹏

(中国兵器工业第五九研究所, 重庆 400039)

0 引言

防弹插板是与防弹背心配套使用的一种刚性防弹材料,在战场上直面弹丸冲击,可减缓弹丸的冲击动能,从而起到保护穿戴者的作用。防弹插板的生产能力与抗弹性能水平反映了国家的军事实力,也是保护军民安全的关键所在。目前,现役的防弹插板主要由高硬度的陶瓷材料(氧化铝、碳化硅、碳化硼等)和低密度、高强度的纤维(超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维等)增强复合材料背板组成,陶瓷材料在弹丸侵彻防弹插板时,使弹丸磨削变钝并破碎吸收弹丸能量,纤维增强复合材料背板通过剪切分层、拉伸变形以及纤维断裂等吸收弹丸及陶瓷碎片的剩余动能,将弹丸嵌入在防弹插板内部从而实现防弹功能[1-4]。

目前,防弹插板性能的研究主要集中在防弹插板抗多发弹打击性能、防弹插板结构设计与材料优化等方面,鲜有学者对防弹插板的作战环境的影响进行分析。杨德轩等[5]着力于防弹插板的轻量化,创新性的加入了聚脲与SiO2气凝胶为缓冲层,在保证防弹性能的同时降低了防弹插板面密度。孔晓鹏[6],程时雨[7],Medvedovski[8],Wang[9]等研究了防弹插板抗多发弹性能,认为陶瓷微观结构、断裂韧性以及防弹插板整体结构对抗多发弹性能影响较大。崔凤单等[10]采用SiC和B4C陶瓷制备的防弹插板均能够有效防御3发5.8 mm钢芯弹,但B4C陶瓷的硬度更高,相应的防弹插板实弹靶试后凹陷值更小,抗弹性能更佳。曹鑫[11]借鉴了狗獾牙齿梯度结构及其微观形貌,设计出一种金属封装拼接陶瓷结构的仿生防弹插板,经分析,采用圆柱型陶瓷时具有最好的防弹性能。Liu[12],Savio[13],Ray等[14]认为防弹插板中陶瓷的硬度与断裂韧性对插板的冲击碎裂过程影响较大,且高硬度的陶瓷有利于弹丸的损耗。

在实战环境中,美军制式的M80型子弹是我军可能受到的威胁之一,M80弹质量9.6 g,射击初速为848 m/s,其冲击动能较大,同等级的防弹插板受到M80弹攻击后往往弹击瞬间凹陷值较大。表1[15]给出了在相同环境条件下,测试相同规格插板时(NIJ III级[16]),不同子弹的弹击瞬间凹陷值和动能数据。较大的弹击瞬间凹陷值(BFS)易导致人体产生内脏破损、骨折等非贯穿性损伤,故同等面密度条件下,防弹插板通常以弹击后是否穿透以及弹击瞬间凹陷值作为评判其优劣的重要参数。此外,士兵的作战环境复杂且经常在高温气候环境下执行任务。因此,研究高温环境对防弹插板抗弹性能的影响具有重要的意义。根据WHB 917-2015《武警特战防弹插板制造与验收条件》中高温环境适应性测试温度为55 ℃±2 ℃,选取55 ℃±2 ℃作为典型高温环境开展系列研究,后文提及高温均表示55 ℃±2 ℃。

采用7.62 mm×51 mm NATO M80弹分别对常温(23 ℃±2 ℃)和高温(55 ℃±2 ℃)下的防弹插板进行实弹射击试验,分析了防弹插板弹击瞬间凹陷值与防弹插板抗弹组元材料的力学性能变化情况,初步探明了高温环境下抗弹性能下降的主要原因,为防弹插板实战性能优化提供了方向。

表1 不同子弹的动能

1 试验方法

1.1 材料

参考GJB 9977—2021《碳化硅陶瓷复合防弹插板规范》进行了防弹插板结构设计,具体结构为6 mm碳化硼陶瓷板+10 mm超高分子量聚乙烯纤维层压板(后文简称“UHMWPE层压板”)+3 mm缓冲吸能泡沫,各层材料间采用聚氨酯树脂连接并通过真空热压成型工艺复合制成防弹插板,防弹插板结构示意图如图1所示。采用同样的材料与工艺共制备6块防弹插板样品,尺寸为325 mm×260 mm,样品表面采用军绿色防水涤纶背胶平纹布包覆,如图2所示。

图1 防弹插板结构示意图

图2 防弹插板样品

1.2 射击试验

在常温条件下,试验样品紧贴模塑胶泥,并按图3、图4所示方法予以固定,射向与靶面垂直(射角0°～5°),射距15 m。每块样品射击3发M80弹,弹速不低于838 m/s,每2发弹间距不小于100 mm且距边缘距离不小于50 mm。进行高温环境下防弹插板性能测试时,将试验样品放置进入高温试验箱,进行高温55 ℃±2 ℃,恒温3 h的处理,每次从试验箱中取出1块试验样品,立即将试验样品紧贴模塑胶泥,拿出高温试验箱后10 min内完成测试。

图3 弹道试验装置

图4 固定靶架结构示意图

1.3 弹击瞬间凹陷值测量

实弹射击试验测试后,弹击瞬间凹陷值测量参照GA141-2010《警用防弹衣》进行。首先观察防弹插板每发弹位置是否发生穿透,若未发生穿透,则使用数显深度尺测量每个弹着点胶泥的凹陷深度,射击试验后胶泥凹陷情况如图5所示。每处凹陷位置测量3次,取3次测量的算术平均值为该发弹的弹击瞬间凹陷值。

图5 凹陷的胶泥

2 结果与分析

2.1 试验结果

本次试验的所有弹速均满足弹速不小于838 m/s的要求,防弹插板均实现有效防御,M80弹未能穿透防弹插板,防弹插板弹击后损伤情况如图6所示。可以看出,防弹插板经实弹射击后整体结构完整性较好,碳化硼陶瓷板与UHMWPE层压板之间没有出现明显的分层现象。主要是防弹插板最外层军绿色平纹布和缓冲吸能泡沫在弹击处受到较为严重的破坏,UHMWPE层压板受到弹丸冲击向外凸起变形。因此,防弹插板可以有效降低枪弹对战士造成致命伤害的可能性,大大提升士兵战场生存率。

图6 防弹插板弹击后损伤情况

防弹插板实弹射击试验结果见表2与图7。由试验结果可知,每一块防弹插板射击3发M80弹,其第1、2、3发弹的弹击瞬间凹陷值呈递增关系,尤其是第2发相对于第1发的弹击瞬间凹陷值明显增加。其原因一方面是陶瓷板裂纹扩展的不确定性,前序子弹射击后可能导致后续子弹射击位置产生裂纹,降低了该点位陶瓷板抗弹性能;另一方面是防弹插板在经过前序弹丸冲击后,UHMWPE层压板与陶瓷板层间破坏面积增加,UHMWPE层压板对陶瓷板的支撑与协同抗弹作用逐渐减弱。

表2 实弹射击试验结果

图7 实弹射击试验结果

由图7可知,常温状态下测试的防弹插板弹击瞬间凹陷值明显小于高温状态下的弹击瞬间凹陷值,其平均弹击瞬间凹陷值差值在2～5 mm,常温状态下射击3块防弹插板相对于高温状态下射击3块防弹插板的第1发弹击瞬间凹陷值均值低2.1 mm,第2发均值低4.9 mm,第3发均值低5.0 mm,表明防弹插板受到高温环境影响,其每发弹的弹击瞬间凹陷值明显增加,抗弹性能发生下降,在实战中可能导致士兵受到非贯穿性损伤的程度加深。

2.2 影响因素分析

防弹插板主要由碳化硼陶瓷板、UHMWPE层压板以及缓冲吸能泡沫组成,层间通过聚氨酯树脂粘结。高温环境使得防弹插板抗弹性能发生明显下降,首先在55 ℃下对碳化硼陶瓷板的影响可以忽略,可能受到影响的主要有聚氨酯树脂的粘接性能,UHMWPE层压板的力学性能以及缓冲吸能泡沫。

通过试验后防弹插板缓冲吸能泡沫状态可以看出,常温状态与高温状态下射击后防弹插板的缓冲吸能泡沫损伤形式与状态基本一致,但是高温下测试的UHMWPE层压板变形量明显更大,因此缓冲吸能泡沫不是影响防弹插板抗弹性能发生明显下降的主要因素。可能的原因一是聚氨酯树脂在高温环境下粘接强度发生下降,导致碳化硼陶瓷板与UHMWPE层压板层间结合强度下降而吸能不足且UHMWPE层压板对陶瓷板协同支撑作用减弱,在第2发和第3发弹击时层间分层现象加重。二是UHMWPE层压板在高温下发生软化,在弹丸强大的能量冲击下抵抗变形的能力发生下降,从而导致弹击瞬间凹陷值增大。因此,分别在常温、高温下开展聚氨酯树脂剥离强度试验与UHMWPE层压板剥离强度、弯曲强度测试,以探究防弹插板性能下降的主要原因。

2.2.1聚氨酯树脂剥离强度

采用与制备防弹插板相同的工艺条件,利用聚氨酯树脂将芳纶纤维平纹布与25 mm宽度的碳化硼陶瓷板样条粘接,参照GB/T 2790-1995《胶粘剂180°剥离强度试验方法》,分别在常温、高温(55 ℃,3 h处理)2种状态下进行剥离强度测试,每组5件试样,试样如图8所示。测试结果见图9。

图8 剥离强度试样

图9 剥离强度试验结果

常温下测试的5件试样的剥离强度平均值为68.4 N/25 mm,高温下测试的5件试样的剥离强度平均值为 60.2 N/25 mm,高温下剥离强度下降了12.3%。由此可见,聚氨酯树脂的剥离强度在高温下会发生一定程度的降低但并不显著,且通过高温实弹射击后的防弹插板可以进一步看出其结构完整性较好,层间未发生明显分层,与常温靶试后防弹插板基本一致,故聚氨酯树脂不应是影响防弹插板高温下抗弹性能的主要因素。

2.2.2UHMWPE层压板力学性能

1) 剥离强度

UHMWPE层压板层间结合强度过低会导致弹丸侵彻过程中易产生分层破坏而剪切分层吸能不足,从而发生子弹穿透或弹击瞬间凹陷值增加等现象。因此,UHMWPE层压板层间结合强度对其整体抗弹性能至关重要。采用与UHMWPE层压板相同的原材料和工艺,制备10 mm厚度的平板样件,参照GB/T 2790—1995《胶粘剂180°剥离强度试验方法》,分别在常温、高温(55 ℃,3 h处理)2种状态下进行5件UHMWPE层压板试样表面层间剥离强度测试,剥离表面厚度为0.2～0.5 mm,测试结果见图10。

常温下测试的5件UHMWPE层压板试样的剥离强度平均值为42.7 N/25 mm,高温下测试的5件UHMWPE层压板试样的剥离强度平均值为42.4 N/25 mm,高温环境对UHMWPE层压板表面层间剥离强度的影响甚微。

图10 剥离强度测试结果

2) 弯曲强度

采用与UHMWPE层压板相同的原材料和工艺,制备10 mm 厚度的平板样件,参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》,分别在常温、高温(55 ℃,3 h处理)2种状态下进行5件UHMWPE层压板试样的弯曲强度测试,测试结果见图11。

图11 弯曲强度测试结果

常温下测试的5件UHMWPE层压板试样的弯曲强度平均值为64.3 MPa,高温下测试的5件UHMWPE层压板试样的弯曲强度平均值为42.9 MPa,高温下弯曲强度下降了33.2%,发生了明显下降。弯曲强度下降表明高温下UHMWPE层压板抵抗变形能力发生明显减弱,因此,弯曲强度下降应是导致防弹插板弹击瞬间凹陷值增大的主要原因。因此,在保障防弹插板能够有效防御弹丸侵彻不发生穿透的情况下,提升UHMWPE层压板弯曲强度或减小高温下性能下降比率,能够有效降低防弹插板弹击瞬间凹陷值,提升防弹插板的整体抗弹性能。

3) 重复性受热影响

上述试验表明,UHMWPE层压板在高温环境下弯曲强度会发生明显下降,导致防弹插板抗弹性能降低。但是在实际使用过程中可能会经受重复性的高温受热,因此开展UHMWPE层压板多周期受热后弯曲强度变化试验,以研究UHMWPE层压板经历多次高温环境是否对其常温弯曲性能产生影响。UHMWPE层压板经受“高温55 ℃,3 h,常温25 ℃,1 h”为1周期,分别经历1、3、5、7、9周期试验处理后,常温下UHMWPE层压板弯曲强度测试结果见图12。经历1、3、5、7、9周期试验处理后弯曲强度分别为62.1、61.2、64.5、62.9、62.6 MPa,可见弯曲强度没有发生明显变化。因此,55 ℃高温环境下重复性受热对UHMWPE层压板弯曲性能影响较小。

图12 重复性受热对弯曲强度的影响

3 结论

通过对常温、高温环境下的防弹插板进行实弹射击试验,分析了高温环境对防弹插板的抗弹性能的影响,同时,开展了聚氨酯树脂剥离强度测试、UHMWPE层压板力学性能测试,初步探明了高温环境下导致抗弹性能下降的主要原因。得出主要结论如下:

1) 高温环境下防弹插板的抵抗弹击瞬间变形的能力明显下降,相对于常温下防弹插板,每发弹的弹击瞬间凹陷值增加了2～5 mm。

2) 高温环境下导致抗弹性能下降的主要原因是UHMWPE层压板在高温下发生软化,弯曲强度下降33.2%,在弹丸冲击下抵抗变形的能力发生减弱,从而导致弹击瞬间凹陷值增大;但是55 ℃高温环境下重复性受热不会对UHMWPE层压板常温环境下的弯曲性能产生明显影响。