早在19世紀(jì)末，受絲綢手絹成功攔截子彈事件的啟發(fā)，美國物理學(xué)家古德法羅，就已經(jīng)開始嘗試用絲綢類纖維制作軟質(zhì)防彈衣，之后學(xué)者在他研究的基礎(chǔ)上更進一步制作出了能抵御當(dāng)時年代大部分的低速子彈的商用軟質(zhì)防彈衣；一戰(zhàn)時誕生的坦克主裝甲僅由鋼板組成，而陶瓷/ 纖維增強復(fù)合材料則成為了現(xiàn)代坦克裝甲里至關(guān)重要的組成部分。隨著基礎(chǔ)材料科學(xué)與火工品制作工藝地進步，現(xiàn)代戰(zhàn)場中輕武器彈藥、反器材武器的威脅程度大幅提升，為滿足現(xiàn)在及未來戰(zhàn)場的需求，當(dāng)今世界各軍事強國均在探索發(fā)展更高“性能/質(zhì)量”比的裝甲。
從槍彈的威脅類型來看，由超高分子量聚乙烯（UHMWPE），芳綸制成的防護產(chǎn)品對鉛質(zhì)彈丸，小體積破片能起到有效的防護作用，在軟質(zhì)防彈層前置陶瓷插板后也能抵御大部分來自高硬度合金穿甲彈丸的侵徹，保護人員要害部位，但陶瓷由于本征脆性難以兼具抗多發(fā)彈的性能，并且出于移動作戰(zhàn)的需求，也無法使用厚重的陶瓷材料對人體進行大面積防護；所以， 增大防護面積的同時盡可能提高穿戴舒適性、關(guān)節(jié)靈活性，平衡重量、柔軟度及防護性能將是未來防彈衣的發(fā)展方向之一。
隨著近代作戰(zhàn)任務(wù)種類的增多，威脅的種類也更加的多樣化，除槍彈以外，反恐防暴任務(wù)中尖銳刀具也會對我方人員構(gòu)成巨大威脅，由于刀具穿刺與彈丸侵徹的作用機理不同，典型軟質(zhì)防彈層的防刺性能往往欠佳，而硬質(zhì)防刺材料又不便于對人體進行大面積防護；從需求分析， 如能防刺材料與防彈材料串聯(lián)使用，保證防彈衣防彈性能不降低的同時兼具防刺性能，將對軟質(zhì)防彈衣的發(fā)展起到促進作用。
本文主要在纖維防彈機理、不同種類纖維材料特性、表面改性方法、樹脂基體等方面對目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行綜述，望能對防彈纖維復(fù)合材料地進一步發(fā)展提供參考。
纖維材料可以分為天然纖維、無機纖維和合成纖維三大類，但主要用于防彈領(lǐng)域的為無機纖維（玻璃纖維、玄武巖纖維等）和合成纖維，如芳綸纖維（Kevlar），超高分子量聚乙烯纖維（ Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE ） ，聚對苯撐苯并二噁唑PBO （Poly-p-phenylene benzobisoxazole）纖維，碳纖維等。高性能纖維材料具有密度低、比模量和比強度高以及無二次殺傷等優(yōu)點，常常以樹脂作為基體制備成纖維增強樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 于防彈領(lǐng)域，其基本力學(xué)性能見表1。由纖維復(fù)合材料制成的防護產(chǎn)品通常為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)防彈層層間通常采用粘接復(fù)合， 軟質(zhì)防彈層則為多層防彈材料疊合并在邊緣處絎縫固定。雖兩種形式的防彈層由于層間效應(yīng)的不同使得其抵御彈丸侵徹的機理存在差異，但纖維間的相互作用機理卻大體相似。當(dāng)彈丸接觸防彈層的瞬間，與防彈層內(nèi)部纖維觸點間會產(chǎn)生較強的應(yīng)力波，能量會以沿纖維軸向的橫波和沿厚度方向的縱波2種形式傳遞，傳播形式如圖1所示。脈沖形式的橫波傳播至基體與纖維交錯點，兩者的相互作用使得能量向多個方向上擴散開來，從而大面積損耗更多的能量。厚度方向的縱波首先對防彈層起壓縮作用，并在纖維與基體的界面產(chǎn)生使壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化的放射作用，轉(zhuǎn)化后拉伸應(yīng)力波的傳遞會通過纖維分層、斷裂及界面失效形式將能量消耗。隨著彈丸對防彈層更加深入侵徹，纖維受到拉伸作用，來自彈丸的動能轉(zhuǎn)化為纖維彈性勢能，能量被進一步消耗。當(dāng)纖維的應(yīng)變大于其極限應(yīng)變時，則纖維斷裂。如彈丸動能仍未被耗盡，則進一步侵徹下一層，直至被完全消耗。對硬質(zhì)防彈層，從損傷形式分析，抵御彈丸侵徹的過程可分為3個連續(xù)的階段，如圖 2 所示。首先，防彈層出現(xiàn)沖塞剪切破壞；其次，材料局部變形，纖維拉伸斷裂失效；最后，纖維與基 體間的部分界面失效，擴大后形成分層，同時纖維受拉斷裂仍然存在[15, 16]。芳綸纖維自上世紀(jì)中葉由杜邦公司研制問世以來，以其密度低、強度高、韌性好、耐高低溫、離火自熄、易于加工和成型的特點迅速遍布于單兵防護、車輛裝甲等領(lǐng)域，而久經(jīng)沙場的芳綸纖維直至今日也在被廣泛的使用。我國自上世紀(jì)八十年代開始就對芳綸產(chǎn)品開展了多輪次的生產(chǎn)研究試驗，目前國內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)建立對位芳綸（芳Ⅱ) 生產(chǎn)線，主要企業(yè)有煙臺泰和新材、中藍晨光化工、江蘇兆達特纖、河北硅谷化工、中石化儀征化纖、廣東彩艷股份有限公司等，建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大，專業(yè)性也在不斷增強。除對位芳綸外，在全球?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)的還有間位芳綸和雜環(huán)芳綸。間位芳綸的品種有No?mex、Conex、Fenelon纖維等。雜環(huán)芳綸產(chǎn)品目前只有俄羅斯和中國擁有。俄羅斯雜環(huán)芳綸品種主要有Armos、SVM、Rusar等，其最先進的Rusar NT纖維的斷裂強度達到7.0GPa以上，性能超過T1000 G纖維，是目前國際上性能最佳的芳綸。據(jù)報道，Rusar NT 纖維制備的防彈產(chǎn)品的面密度低于1kg/m2，可抵御9mm子彈的槍擊。國產(chǎn)芳綸Ⅲ類似于俄羅斯的Armos纖維，是一種三元共聚雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維，是由我國四川省中藍晨光化工研究院、內(nèi)蒙46所等開發(fā)，目前已基本實現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，以其制備的芳綸無緯布產(chǎn)品也表現(xiàn)出了優(yōu)異的防彈性能。劉克杰等采用晨光院Staramid F358纖維(國產(chǎn)芳綸Ⅲ)與日本帝人公司Twaron2000纖維(進口芳綸Ⅱ)，其分子式見圖3，分別制備成芳綸無緯布，再分別與一層防凹陷板和一層泡沫組合制成防彈靶板，通過彈道試驗，測試和比較了芳綸Ⅲ與芳綸Ⅱ無緯布制造靶板的防彈能力。結(jié)果表明：芳綸Ⅲ防彈性能相比芳綸Ⅱ提高了近30%，進一步證實芳綸Ⅲ具有的更高拉伸強度和斷裂伸長率是其抗彈性能更優(yōu)的主要原因，并預(yù)測其防彈性能還有提升的空間。
近年來，芳綸的成形技術(shù)及其防彈材料的制備工藝都取得了重大突破，促進了防彈產(chǎn)品輕量化、舒適化和高性能化目標(biāo)的實現(xiàn)。芳綸織物常見結(jié)構(gòu)包括芳綸無緯布、單向布及平紋布等。 楊小兵等對不同織物結(jié)構(gòu)的芳綸層壓板進行了抗彈性能試驗，結(jié)果表明：與平紋布和穿刺無緯布相比，無緯布具有更好的抗彈性能。OTHMAN 等通過研究無緯布與機織布的能量消耗和彈丸捕獲能力，對比了芳綸織物結(jié)構(gòu)對彈道性能的影響。結(jié)果表明：芳綸無緯布結(jié)構(gòu)具有較 高的能量分散性能和較少的彈丸穿透層數(shù)，其五層織物中，可消耗的沖擊能量高達 17%。此外， 大量研究已證實，芳綸無緯布抗彈性能明顯優(yōu)于其它的織物形式，這是由于無緯布在制造過程中，纖維已被充分展開并與膠黏劑黏接，且纖維相互交錯，受到彈擊時，有利于能量迅速擴展， 發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，因而可在較大面積上吸收能量。芳綸無緯布的大體制備流程如下：將芳綸浸膠后通過特定的展絲設(shè)備進行展絲，并平行排布于纏繞機上纏繞成型；加熱干燥后，將布樣旋轉(zhuǎn)90°, 用同樣的方法將纖維與布樣進行正交復(fù)合，即可得到兩層交錯的芳綸無緯布如圖4所示。為不斷優(yōu)化芳綸產(chǎn)品的性能，改進芳綸及其制品的生產(chǎn)工藝，國內(nèi)外學(xué)者在近些年進行了大量的探索研究。楊小兵等通過合理控制纏繞過程中的張力大小，優(yōu)化制備工藝，制得纖維 排列均勻的芳綸無緯布，并通過實彈測試進一步研究了芳綸無緯布層壓板的抗彈機制及面密度 對防彈性能的影響，其受彈后產(chǎn)生的原纖化破壞模式如圖5所示。研究結(jié)果表明：較低面密度 無緯布的層壓板抗彈性能較好。方心靈等采用不同表面處理劑處理芳綸無緯布，對比研究了處理前后芳綸無緯布的面密度、表面光滑柔軟性能、厚度、防水性能以及防彈性能。結(jié)果表明：經(jīng)過某特定處理劑表面處理后，芳綸無緯布不僅實現(xiàn)了防水功能，且其防彈性能沒有下降。當(dāng)處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％~5%時，無緯布的防彈性能最優(yōu)。吳中偉等通過單因素試驗設(shè)計的方法，添加不同含量的壓敏膠黏劑及相應(yīng)助劑，研究了二次上膠及成型技術(shù)，制備了一種新型防凹陷芳綸無緯布。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與壓制工藝的優(yōu)化，利用該防凹陷材料制備了一種輕薄、穿著舒適的防彈衣產(chǎn)品，可達到NIJ ⅢA級要求，且面密度更低，產(chǎn)品質(zhì)量降低了20%以上，厚度減少至5.5mm ，滿足輕量化與舒適化發(fā)展需求。為解決片狀無緯布受輥筒尺寸的制約，生產(chǎn)效率較低的問題，劉元坤等開發(fā)出了一種連 續(xù)生產(chǎn)模式，即設(shè)定幅寬后，可連續(xù)生產(chǎn)任意長度的無緯布，并通過探究絲束退繞張力、膠黏劑配方、層壓復(fù)合溫度、壓力及運行速度等關(guān)鍵工藝條件對卷狀芳綸無緯布表觀質(zhì)量與防彈性能的影響，摸索出一套生產(chǎn)高品質(zhì)的卷狀芳綸無緯布的工藝，實現(xiàn)了高效化生產(chǎn)。
除單兵防護產(chǎn)品外，芳綸制品在車輛裝甲內(nèi)防護襯層中也起到了重要的作用，在車輛裝甲綜合防護體系中占據(jù)著重要地位。防護襯層的作用主要體現(xiàn)在：當(dāng)彈丸穿甲性能處在彈道極限內(nèi)時，防止彈丸碎片或裝甲材料崩落的破片飛入車內(nèi)，同時其本身不產(chǎn)生二次破片；當(dāng)彈丸穿透裝甲時，可以有效降低彈丸破片的動能，從而提高乘員的生存能力。美國M113裝甲 輸送車車體采用襯層防護如圖6所示。此外，為提高織物內(nèi)紗線間摩擦系數(shù)來提升防護產(chǎn)品的防護性能，學(xué)者們對氧化鋅改性織物也做了大量研究，表明織物經(jīng)氧化鋅納米顆粒改性后,紗線的拉伸強度、彈性模量和紗線間摩 擦系數(shù)均有提高，并且已有文獻表明紗線的力學(xué)性能和紗線間摩擦系數(shù)的提升可以提高織物的抗彈性能。在改性織物的抗彈道沖擊性能方面，許堯杰等通過納米氧化鋅顆粒種植生長對芳綸織物進行改性,開展電鏡觀察、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗、紗線拉拔試驗、彈道沖擊試驗和數(shù)值模擬工作,得到了氧化鋅改性織物的力學(xué)性能和彈道性能。其研究結(jié)果表明：氧化鋅顆粒的種植增加了纖維之間的結(jié)構(gòu)互鎖與表面粗糙度,氧化鋅改性織物的紗線間摩擦系數(shù)較純織物提高了282%,彈道極限速度較純織物提高了54.5%,且吸能與比吸能性能顯著優(yōu)于純織物。芳綸材料已深入防護領(lǐng)域的方方面面，但是其也存在材料特性層面的固有缺陷如耐水性較差、耐紫外線照射持久度較低等問題，在極端條件下會顯著影響由芳綸材料制成裝甲的抗彈性能，雖已通過外包覆防水遮光層等措施初步解決了相關(guān)問題，但如何從材料本身特性入手進行優(yōu)化仍將是研究關(guān)鍵點。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是繼芳綸纖維之后出現(xiàn)的有一種高性能纖維，UHMWPE纖維最早最早由美國Allied Chemical公司于1957年實現(xiàn)工業(yè)化，此后德國Hoechst公司、美國Hercules公司、日本三井石油化學(xué)公司等也投入工業(yè)化生產(chǎn)。我國上海高橋化工廠于1964 年最早研制成功并投入工業(yè)生產(chǎn)，70年代后期又有廣州塑料廠和北京助劑二廠投入生產(chǎn)。限于當(dāng)時條件，產(chǎn)物分子量約150萬左右且產(chǎn)品穩(wěn)定性有限。進入21世紀(jì)后，我國加大了高技術(shù)纖維產(chǎn)業(yè)化進程，特別是自2007年起，國家發(fā)展改革委設(shè)立高技術(shù)纖維專項扶持計劃，極大地推動了超高分子量聚乙烯纖維的行業(yè)發(fā)展，隨著工藝技術(shù)的突破并經(jīng)過近十多年快速增長，我國成為全球超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)大國。目前，我國超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)企業(yè)近30家，主要企業(yè)有千禧龍纖、同益中、九州星際科技有限公司、中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司、山 東愛地高分子材料有限公司、江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司、湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公 司等，UHMWPE纖維已成為我國在國際市場具有較強競爭力的纖維產(chǎn)品。UHMWPE纖維的分子量通常在150萬以上，分子主鏈為亞甲基相連的“C-C”結(jié)構(gòu)，不含側(cè)基，支鏈較少，對稱性和規(guī)整性好。經(jīng)過超倍拉伸之后，纖維內(nèi)部的大分子鏈充分伸展排列，形成高度結(jié)晶和高度取向的超分子結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了UHMWPE纖維眾多特殊性能， 如超高的強度和模量和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，幾乎不與任何酸、堿或有機試劑反應(yīng)，在海水、煤油、甲苯、高氯乙酸、鹽酸、硫酸等液體中浸潤6個月，仍能夠保持100%的強度，只有極少數(shù)的溶劑能使其發(fā)生輕度溶脹。UHMWPE的耐光、耐輻照性能同樣良好，經(jīng)過1500h光照之后，纖維仍能夠保持60%左右的強度，同樣條件下處理的其他常見纖維的強度保持率均在50%以下，芳綸纖維更是不到20%。UHMWPE的氫含量較高，對中子、質(zhì)子、重離子等高能輻射有優(yōu)異的屏蔽作用，可以用于防輻射領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究報告，2010 年全球60%的UHMWPE材料用于防護產(chǎn)品的制造，主要用于制造UD布，作為軟式防彈衣、防彈頭盔的關(guān)鍵防彈層，或者與陶瓷或金屬面板粘結(jié)、作為硬質(zhì)防彈板的背板。作為防護材料，UHMWPE纖維最重要的性質(zhì)為高沖擊強度和高能量吸收， 其比沖擊總吸收能量分別是碳纖維、芳綸纖維和E-玻璃纖維的1.8、2.6和3倍。此外由于UHMWPE纖維密度較低具有重量優(yōu)勢，理論上僅需芳綸材料重量的2/3便可實現(xiàn)與其相同的防 彈效果。自荷蘭DSM公司于2009年推出商品牌號為BT10的UHMWPE膜材料后，因其更低的成本和更為環(huán)保的制備工藝便受到了廣泛地關(guān)注，學(xué)者們對使用UHMWPE膜材料制成防護產(chǎn)品的抗彈性能也開展了廣泛地研究。UHMWPE膜材料和UHMWPE纖維無緯布雖然都采用了層內(nèi)單向、層間正交的結(jié)構(gòu)形式，但是所采用的鋪層材料單元不同，分別為條帶和纖維，因此防彈機理有所不同。O Masta等使用直徑為12.7mm鋼球?qū)商mDSM公司的BT10膜材料以及HB50纖維制成的復(fù)合材料進 行了彈道沖擊試驗，分析了兩種靶板在不同約束條件下的破壞模式，認(rèn)為在靶板背面有剛性支撐的情況下，兩類材料的防彈性能和破壞失效模式都較為接近。但是在靶板邊界受約束，背面無支撐的條件下，發(fā)現(xiàn)BT10膜材料有更好的抗壓縮變形性能，而HB50纖維復(fù)合材料有更好 的抗拉伸變形性能。而靶板在受彈時的破壞模式表現(xiàn)為侵徹開始階段的壓縮失效以及侵徹進行階段的拉伸失效，為充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，該作者又將抗壓性能更好的 BT10膜材料層壓板作靶板的迎彈面（占總厚度的 1/3），使用抗拉性能更好的HB50纖維層壓板作為基板得到兩種材料復(fù)合的靶板，而且這種復(fù)合靶板表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的抗彈性能。Alil, L-C等使用不同溫度、壓強制成了UHMWPE膜材料復(fù)合板，并且使用鋼板做背板對比了不同復(fù)合材料板之間的抗彈性能，為了揭示材料在受彈時的抗彈機理和破壞模式，該作者又使用UHMWPE膜材料UD布進行了抗彈試驗；其研究結(jié)果表明，在復(fù)合材料板材制作時采用合適的溫度和壓強可提高材料的抗彎剛度從而使得板材具有更好的抗彈性能。此外，該作者還使用激光誘導(dǎo)沖擊波測試方法對薄層復(fù)合板進行試驗，研究了復(fù)合材料通過脫層耗散機制吸收槍彈動能的機理，認(rèn)為界面脫粘主要通過局部的裂紋萌生和拓展來吸收耗散槍彈的動能。 以上從不同角度對UHMWPE膜材料復(fù)合材料的防彈機理及其與UHMWPE UD布復(fù)合材料的 差異進行了研究。付杰等采用1.1g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片、51式7.62mm鋼被甲鉛芯彈和9mm巴拉貝魯姆銅被甲鉛芯彈，對兩類UHMWPE材料疊層靶片進行射擊試驗，研究兩類材料的分子量、結(jié)晶度、力學(xué)特征以及防彈效能系數(shù)對其彈道極限V50值、比吸能值和凹陷深度方面的影響， 對其防彈性 能進行理論分析，并結(jié)合彈著點形貌，對比研究了兩類材料的防彈機理。結(jié)果表明:兩類材料的 分子量、結(jié)晶度、拉伸強度以及拉伸模量與其防彈性能呈正相關(guān)，較小的斷裂伸長率更有利于 減小凹陷深度；膜材料的條帶結(jié)構(gòu)更有利于材料承載應(yīng)力、能量傳播和能量耗散。在將UHMWPE纖維制成無緯布時會用到樹脂基體對纖維進行強化，而且樹脂基的選擇對無緯布性能的影響尤為顯著，Wang, Hongxu等采用100~200m/s速度的Φ12mm鋼球?qū)Σ煌瑯渲w制成的不同厚度(≤4mm）UHMWPE復(fù)合板開展了侵徹試驗。其研究結(jié)果表明，當(dāng)樹脂基體抗拉強度越大時，其在受彈時的變形和損傷更小，但其抗侵徹能力會下降，原因是抗拉強度較小的樹脂基體制成的復(fù)合板會在受彈時發(fā)生較大程度的變形和損傷，顯著吸收彈丸沖擊時的能量，從而提升其抗侵徹能力，其在相同速度下（194m/s）受彈時的變形云圖如圖7所示。雖樹脂基材料對UHMWPE纖維制成復(fù)合板性能的影響至關(guān)重要，但是由于該纖維的表面惰性導(dǎo)致纖維與樹脂基體之間的粘接能力較差，這種情況會直接導(dǎo)致裂紋擴展到纖維時，界面粘接強度較弱，裂紋轉(zhuǎn)移方向，沿著纖維擴展，即出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，此時吸收能量的大小取決于纖維與樹脂界面間的粘接強度，因此可通過提高UHMWPE纖維的界面粗糙度來提高界面間粘接強度進而提升材料防彈性能。通常提高UHMWPE纖維表面改性的方法有電暈法、等離子體處理、化學(xué)氧化及交聯(lián)、輻射引發(fā)接枝等，通過處理使其表面形成極性基團，從而提高其與樹 脂基體的粘接性能。經(jīng)過親水SiO2改性前后UHMWPE纖維表面對比見圖8。放眼未來，各行業(yè)若想取得突破性進展均需依賴材料科學(xué)的發(fā)展，而且纖維材料作為現(xiàn)代工業(yè)體系中重要的一環(huán)在近些年雖取得了長足的發(fā)展，但就本文提到的防護領(lǐng)域而論，現(xiàn)階段防護系數(shù)較高的單兵防護產(chǎn)品對于作戰(zhàn)人員而言還是過于臃腫，對人員的身體負(fù)擔(dān)較重，輕量 化、高性能仍是該領(lǐng)域繞不開的話題。目前，在細(xì)分領(lǐng)域的關(guān)鍵點總結(jié)如下：在纖維復(fù)合材料板的抗侵徹過程中，纖維的拉伸斷裂與板材分層是吸收彈丸沖擊能量的直接形式，樹脂基體粘接力過強則會導(dǎo)致板材難以分層，纖維難以得到充分的拉伸吸能，粘接力過低則會導(dǎo)致板材抗彎剛度較低，層間易于分離，以上兩種情況都會使得復(fù)合材料板的抗彈性能降低；而且由于現(xiàn)階段常用的高性能纖維的表面活性較低，纖維表面改性的代價又較高，樹脂與纖維間的界面作用難以準(zhǔn)確調(diào)控，這無疑對提高纖維復(fù)合材料板的防彈性能這項工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前，為選擇與纖維材料相匹配的樹脂基體需對不同條件下制成的復(fù)合材料板進行大批量彈道測試試驗，未來，如何從樹脂和纖維材料特性入手對復(fù)合材料的制備方案進行優(yōu)化改進將會極大助力復(fù)合材料板抗彈性能的提升。來源：中國學(xué)術(shù)期刊電子出版社，邁愛德編輯整理作者：盧振宇, 王緒財, 彭剛，馮家臣, 張彬, 王偉, 陳春曉, 高波, 李保鼎, 任安苛
