新型高性能防弹复合材料技术研究

3
试验部分
树脂基体
。
３. １ 原材料选择 3. 1. 1 纤维增强复合材料具有比强度高、 比模量高、 性 能可设计性强、 电性能好及耐疲劳性好等特点， 将其 与传统的防弹材料进行复合可得到结构 / 功能一体 化的 轻 质 装 甲 材 料， 可降低装甲车辆战斗全重达 30% 以上，实现机动性和防护能力的统一。树脂基
［10 ］
。 表 1 列出了部分装甲
用陶瓷的性能， 选用 Al2 O3 陶瓷。
表1 Table 1
陶 瓷
常用防弹陶瓷片的性能 图2 玻璃纤维三维织物防弹样件形貌 Morphology of ballistic samples with
The properties of common ballistic ceramic disk
。目前用于装甲防护的树
脂基体多为环氧树脂、 酚醛树脂、 双马来酰亚氨树 聚酰亚胺等。根据实际情况及成型方法、 本实验 脂、 选用环氧树脂作为增强纤维。 3. 1. 2 高强玻璃纤维及三维织物 高强玻璃纤维的特点是熔点高， 约为 1200℃ ， 破坏时成脆性断裂， 随着弹丸冲击速度的提高， 其吸 收能量的能力明显增加。高强玻璃纤维制成的装甲 材料抗弹能力可达到钢的三倍以上， 并对破甲弹具 有使射流弯曲、 不规则断裂失稳的能力， 使射流临界 侵彻 速 度 明 显 提 高， 在装甲车辆上有广泛的应用 前景
玻璃钢 / 复合材料增刊
2012 年

新型高性能防弹复合材料技术研究
薛书凯
（ 1. 西北工业大学，陕西西安 1， 2 710025 ）
710072 ； 2. 西安航天复合材料研究所，陕西西安
摘要： 树脂基复合材料以其防护性能好、 密度低及制备工艺简单等优点广泛应用于装甲防护领域。本文 研究 了玻璃 纤维 不同织物形式、 陶瓷片形状等因素对防弹复合材料性能的影响。最后指出， 在进行防弹复合材料设计与开发 时， 应 考 虑防弹 性 重量与成本之间的关系， 只有三者达到一种平衡， 才能设计出满足实际使用要求的防弹复合材料。 能、 关键词： 纤维复合材料; 防弹性能; 装甲防护; 应用 中图分类号： TB332 ； TQ322. 4 文献标识码： A
由表 3 可知， 不同陶瓷片形状的防弹样品性能 区别不是很大， 但进一步研究发现， 在拼接陶瓷片 由于六边形陶瓷片的接缝不在一条直线上 ， 因 时， 此， 可能更有助于对抗多发子弹的打击 。 总而言之， 在进行防弹复合材料设计与开发时 ， 应密切注意防弹性能、 重量与成本的关系， 只有三者 达到一种平衡， 才能设计出满足实际使用要求的防 弹复合材料。 3. 3. 3 V50 测试 弹道极限 V50 指标是最为常用的防弹材料及装 备防弹性能表征指标。 V50 指穿透概率 50% 时模拟 破片或特定弹丸的平均着靶速度 。该指标是取一定 数量最高有效部分穿透速度和同等数量的最低有效 完全穿透速度的平均值， 再减去测速点至靶面的衰 减弹速而得到。 V50 测试方法是较为合理、 实践证明， 易行和广 能够更科学地表征装甲的弹道防护极限 ， 泛适用的， 更适用于非金属复合装甲材料的测试评价 。 经过测定， 以本试验中前述的玻璃纤维三维织 物与六边形陶瓷片复合的防弹试验件为研究对象 ， 弹道 极 限 V50 值 为 736m / s， 说明能够有效地防护 7. 62mm 口径 56 式穿甲燃烧弹， 并且具有一定的工 程应用价值。 ３. ４ 结 论 （ 1 ） 通过比较玻璃纤维的不同织物、 氧化铝陶 认为： 玻璃纤 瓷片形状与树脂复合的防弹材料性能 ，
表2 玻璃纤维不同织物形式的防弹样品性能对比 Performance Comparison of Ballistic Samples with Different Textile of Glass Fiber
纤维织物形式 防弹性能 · m－2 面密度 / kg 板件厚度 / mm 成本 玻璃纤维布 1 发穿透 50． 64 30 较低 玻璃纤维三维织物 3 发 7． 62mm 穿甲弹后 符合损伤标准 3 级 性能良好， 47． 90 30 较高
1
引
言
面板和背板材料的性能优势分别得以最大限度的 发挥
［4 ］
为适应现代高科技战争的要求， 近年来， 新型高 性能防弹复合材料得到了广泛的应用 。 防弹纤维复 在一定的工艺条件 合材料是采用纤维或纤维织物， 下与树脂基体复合而制得的具有一定防弹性能的材 料， 其作用特点与结构复合材料有很大的差异 ， 成型 重量轻、 成本低， 兼具承力和防弹双 工艺要求简便、 重功能， 实现减重、 大幅度提高防弹性能的目的， 是 新型防弹装甲的首选材料
由表 2 可知， 由于三维织物增强材料具有较高 的层间剪切强度和耐压强度， 因此以三维织物制成 的防弹试验件性能较好， 而且在一定程度上提高了 机械性能， 能够更好地满足实际的需要。
注： β 为相对于 Al2 O3 的价格系数； ※ 表示应用少； ※※ 表示应 用较少， ※※※表示大量应用。
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新型高性能防弹复合材料技术研究
复合材料受到弹丸冲击作用时， 基体必须与纤维一 同伸长、 断裂， 才能使复合材料最大限度地吸收弹丸 的冲击能量， 起到抗弹、 减震的作用， 因此基体必须 具有较高的断裂延伸率
防弹装甲材料的发展趋势
智能装甲 智能材料和智能结构系统是国外重点发展的高
3 发 7． 62mm 穿甲弹后性能 3 发 7． 62mm 穿甲弹后性能 良好， 符合损伤标准 3 级 良好， 符合损伤标准 3 级 55． 12 30 相当 56． 87 30 相当
新技术， 这种智能材料和智能结构系统应具备感知 可准确而迅速地测出来袭弹药的 功能和驱动功能， 方位， 并采取有效的对抗措施。当装甲遭受侵彻时， 采用智能材料制成的响应能力为微秒级的微型传感 指令能量对抗型的陶瓷装甲、 反应装甲干 和驱动器， 扰抵消来袭弹丸的能量， 起到有效的防护作用。 ４. ２ 电磁装甲 电磁装甲是一种新概念、 新原理装甲， 来自于电 就是利用电磁感应和定时装置等 和磁的能量转换， 手段， 及时探测出来袭弹丸的速度、 方向和距离并输 入微机处理系统， 当弹丸飞至坦克装甲前方一定距 离时， 装甲会主动释放电能并立即转变成磁能 ， 形成 一道磁屏障将弹丸摧毁。 ４. ３ 灵巧装甲 美国陆军推出了灵巧装甲新概念。 该装甲的装 甲材料、 传感器、 控制器、 微型动力装置、 活动关节和 自动修复系统组成的装甲系统可对付穿甲弹、 破甲 弹和灵巧弹药等多种弹药。当灵巧装甲受到弹药威 胁时， 通过传感器控制器微型动力干扰装置共同 能动地改变弹丸或射流的动能方向 。 协作， ４. ４ 滑块装甲 所谓滑块装甲， 就是在装甲夹层上设置有高速 滑动的装甲块， 以它来横向撞击入射侵彻的穿甲弹 ， 使之被切断或变形， 滑动块可以是一块， 也可以是两 有的双向滑动块用先进的陶瓷活动板或高强度 块， 装甲板， 在导轨上迅速滑动， 然后滑向原位， 作用时 间只有百分之几秒， 滑动装甲的关键技术是迅速取 得装置的启动信号和高速的推动力， 这种滑块获得 高速运动的能源是机械能、 电能、 爆炸能， 高速运动 从而产生抗弹效果。 的滑块阻挡或摧毁侵ig. 1 防弹复合材料的结构
2
２. １
材料设计
防穿甲弹的作用机理 主要是利用装甲陶瓷硬度高这一特性 。 为了抵
The Structure of Ballistic Composite
挡穿甲弹弹芯， 装甲的硬度必须高于弹芯的硬度 （ 标 准穿甲弹的弹芯硬度大约为维氏硬度 800 ） 。 性能 氧化铝陶瓷复合装甲材料可以达到这一 数据表明， 要求。 由于陶瓷复合装甲具有粉碎或至少折断硬而脆 的穿甲弹弹芯的能力， 这样可使弹芯的穿透力减少， 同时利用装甲陶瓷中的锥形坑吸收弹头的动能， 将 残余的弹芯动能扩散到较大面积的韧性背板上， 使 其能容易地吸收此动能 ２. ２ 材料结构设计 复合材料的可设计性对防弹材料的结构设计起 到了决定性的作用
［3 ］ ［2 ］
树脂基复合材料一般适用于防护对象为中小口 径穿甲弹， 其耐受的冲击速度属于低速侵彻范围 性能具有强烈的依赖关系
［6 ］ ［5 ］
。
在低速侵彻范围内， 装甲防护性能与装甲材料机械 。 因此， 其设计思想是 高硬度的面板与高韧性的背板组合在一 把高强度、 起， 前者用于提高对子弹的侵彻能力 ， 后者用于吸收 弹丸冲击能量， 减少装甲动态脆性破坏。
［7 ］
３. ２
测试方法 88《装甲车辆试验规程装 根据标准 GJB59. 18-
甲板抗枪弹性能试验》 进行防弹性能测试。 ３. ３ 结果与讨论 以玻璃纤维、 防弹陶瓷片等材料复合成的防弹 试验件在西安市民兵训练基地进行了多次靶板实 验， 并在济南 53 所做了定量测试。 试验用靶板面积 为 300 × 300mm， 分别进行了玻璃纤维织物形式、 陶 并进行了 V50 测定， 下面 瓷片形状的防弹性能试验， 分别进行分析与讨论。 3. 3. 1 不同玻璃纤维织物形式的防弹试验件性能 比 分别研究了玻璃纤维布及三维织物制成的防弹 试验件的防弹性能 （ 两种试验件均采用相同尺寸的 陶瓷片） 。玻璃纤维布及三维织物制成的防弹试验 。 件的防弹性能、 面密度和成本的比较见表 2 。
密度 /g · cm － 3 2． 5 3． 8 3． 2 弹性模量 / GPa 400 340 370 维氏硬度 / GPa 30 16 27 β × 10 1 ×5 用 量
Fig. 2
glass fiber Threedimensional Fabric
※※ ※※※ ※
B4 C Al2 O3 SiC
［8 ］
。
三维织物增强材料具有较高的层间剪切强度和 耐压强度， 为减少复合层压材料的分层， 提高其在多 重打击下的防弹能力， 三维织物可充分发挥纤维本 身的强度， 纤维呈直线状态不屈曲， 且不易分层， 提 高了防弹能力 3. 1. 3
［9 ］
Table 2
。
陶瓷复合装甲
陶瓷复合装甲作为现代装甲防护中的一种， 是 为适应现代战争的需要而发展起来的 。 陶瓷材料作 具有高强度、 高硬度、 耐 为一种先进的高技术材料， 腐蚀及高耐磨性的特点， 不仅应用在坦克的防护上， 而且还应用在飞机、 舰船等关键部位的防弹遮蔽层 上。陶瓷的性能直接会影响复合装甲抗弹性能的好 坏， 尤其是对动能穿甲弹和破甲弹的效果更好。 实 世界上许多先进坦克的装甲防护采用高性 践证明， 防护能力明显提高， 陶瓷已经成为复合装 能陶瓷后， 甲不可缺少的材料之一
。以陶瓷为面板和以树脂基复
合材料为背板所构成的复合装甲， 与传统的金属均 这种 质装甲相比是一种更为有效的轻型防护装甲， 装甲 可 利 用 弹 体 侵 彻 各 阶 段 特 有 的 侵 彻 机 理 ， 使
0722 收稿日期： 2012） ，男，博士，主要从事树脂基复合材料研究。 作者简介： 薛书凯 （ 1980-
2012 年
3. 3. 2 不同陶瓷片形状的防弹试验件性能比较 维防弹复合材料因其具有承力和防弹的双重功能更 具有产业化发展优势， 达到减重、 大幅度提高防弹性 能的目的； （ 2 ） 在进行防弹复合材料设计与开发时， 应考 重量与成本之间的关系， 只有三者达到 虑防弹性能、 一种平衡， 才能设计出满足实际使用要求的防弹复 合材料。 分别研究了四边形及六边形氧化铝陶瓷片制成 的防弹试验件的防弹性能。四边形及六边形氧化铝 陶瓷片制成的防弹试验件的防弹性能、 面密度和成 本的比较见表 3 。
表3 Table 3 不同陶瓷片形状的防弹样品性能对比 Performance comparison of ballistic samples with different ceramics shape
陶瓷片形状 防弹性能 · m －2 面密度 / kg 板件厚度 / mm 成本 四边形 六边形
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４. １