當(dāng)前，世界各國(guó)都在不斷研發(fā)和優(yōu)化各類新型抗彈材料，以增強(qiáng)車輛和單兵的彈道防護(hù)性能。高性能纖維復(fù)合材料具

有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗彈性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是研究最多、市場(chǎng)發(fā)展最快和最有前途的抗彈材料。以美國(guó)為代表的軍事發(fā)達(dá)國(guó)家

特別關(guān)注高性能抗彈纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室等國(guó)防科研機(jī)構(gòu)和受國(guó)防部資助的大學(xué)近些年開展了

大量研究工作。本文主要介紹玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維和PBO纖維在國(guó)外的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀

與性能水平。

        1.芳綸纖維

        芳綸纖維具有高比強(qiáng)度、高斷裂伸長(zhǎng)率的特點(diǎn)，在相同面密度情況下，芳綸/樹脂復(fù)合材料的抗彈能力是玻璃纖維/樹

脂復(fù)合材料的2~3倍，在很多領(lǐng)域可全面替代玻璃纖維/樹脂復(fù)合材料。

美國(guó)克萊姆森大學(xué)聯(lián)合陸軍研究實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)采用傳統(tǒng)有限元法對(duì)抗彈纖維氈進(jìn)行數(shù)值分析，用以確定材料的穿透阻力和

對(duì)沖擊的整體撓曲、變形、破壞響應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)的研究人員等還進(jìn)一步對(duì)平織纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的彈道沖擊/爆炸

防護(hù)計(jì)算分析模型進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。2014年，又研究了PPTA（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）基材料微結(jié)構(gòu)/性能的關(guān)系，開發(fā)

出多長(zhǎng)度尺度計(jì)算方法，來確定不同尺度上各種微結(jié)構(gòu)特征對(duì)PPTA基氈布或PPTA纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的宏觀彈

道抗侵徹性能的影響。

意大利卡西諾和南拉齊奧大學(xué)等將平紋織氈與熱固性樹脂復(fù)合制成層壓材料，并對(duì)制備的復(fù)合裝甲進(jìn)行了Walker數(shù)值模型

預(yù)測(cè)和彈道性能測(cè)試。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室等以扁平條帶狀透明尼龍單絲為增強(qiáng)體，以與之折射率相匹配的透明環(huán)氧樹脂

為基體制備出一種透光率約為40%的復(fù)合材料，并對(duì)材料進(jìn)行彈道實(shí)驗(yàn)，所得材料V50值大于305m/s，遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂和

聚碳酸酯。

        美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了加捻（twist）對(duì)抗彈纖維紗橫向沖擊性能的影響，并利用高速攝像機(jī)測(cè)量了由沖擊引

發(fā)的歐拉橫波速度。結(jié)果表明，歐拉橫波速度隨纖維紗加捻數(shù)量的提高而提高，意味著更高的彈道性能。因此，在抗彈纖

維氈中使用加捻的纖維紗能提升材料的彈道性能。研究了磁場(chǎng)對(duì)芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維彈道性能的影響。研究

者分別將芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維夾在兩組相反的稀土磁體之間，測(cè)試磁場(chǎng)斥力對(duì)材料彈道性能的作用。結(jié)果表

明，磁場(chǎng)斥力能抑制子彈進(jìn)入芳綸纖維的前面板。

        對(duì)芳綸纖維進(jìn)行納米改性或?qū)ζ鋸?fù)合材料納米填充也會(huì)改善抗彈性能。研究人員通過在纖維表面生長(zhǎng)垂直的ZnO納米

線來增強(qiáng)界面強(qiáng)度。纖維的界面強(qiáng)度比裸纖維提高了96.9%，拔出測(cè)試的峰值載荷提升達(dá)6.5倍。ZnO納米線強(qiáng)化了纖維的

拔出性能，進(jìn)而也提高材料的彈道沖擊保護(hù)水平。

        研究人員等研究了納米顆粒填充劑對(duì)抗沖擊復(fù)合材料的影響，對(duì)研磨碳纖維和納米顆粒（碳納米管和核殼橡膠顆粒）

同時(shí)填充的纖維復(fù)合材料進(jìn)行了V50彈道測(cè)試。結(jié)果顯示，納米核殼橡膠顆粒填料由于空穴作用對(duì)沖擊過程中的能量吸收

有效，同時(shí)也使彈道性能顯著提高。碳納米管填料能提高基體-纖維的界面性能，也使得彈道性能有顯著提高。二者對(duì)復(fù)合

材料的V50抗彈性能有增強(qiáng)作用。復(fù)合材料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的研磨碳纖維并添加1%的納米顆粒，能將V50相對(duì)于參照樣品

分別提高7.3%（碳納米管）和8%（核殼橡膠顆粒）。

        2.玻璃纖維

        玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)率大、沖擊性能好、抗疲勞、化學(xué)穩(wěn)定，不足之處是密度較大。

        美國(guó)密歇根州立大學(xué)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛研究。其制備了基于S-2GF/SC-15環(huán)氧樹脂的復(fù)

合材料；研究了由正交平織GF氈布和環(huán)氧樹脂基體構(gòu)成的復(fù)合材料的尺寸效應(yīng)對(duì)高壓載荷下行為的影響；開發(fā)了基于GF的

高抗沖三軸準(zhǔn)三維機(jī)織復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行沖擊測(cè)試表明，三軸準(zhǔn)三維復(fù)合材料的剛度比二維機(jī)織和層壓樣品分別高出

12.5%和20%；通過樹脂傳遞模塑工藝制備了車輛防護(hù)板用玻璃纖維氈增強(qiáng)的SC-15環(huán)氧樹脂復(fù)合板，平均拉伸模量和拉伸

強(qiáng)度分別為20.06GPa和383.65MPa，平均壓縮模量和壓縮強(qiáng)度分別為31.83GPa和258.60MPa，平均剪切模量和剪切強(qiáng)度

分別為5.62GPa和97.43MPa，平均彎曲模量和彎曲強(qiáng)度分別為16.23和334.61MPa。

        3.超高分子量聚乙烯纖維

        超高分子量聚乙烯纖維密度小、抗吸濕性能好、斷裂伸長(zhǎng)率較高，是目前已經(jīng)商業(yè)化的比強(qiáng)度最好的纖維之一。研究人

員等采用直接抓緊法測(cè)試了單纖維在多重負(fù)載速率下的拉伸性質(zhì)，解決了由于纖維直徑太小和表面能太低而難以用傳統(tǒng)的黏

著法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的問題。研究人員研究了不同纖維正交層壓復(fù)合層板在彈道沖擊下的顯微斷面，推導(dǎo)出沖擊過程中層離、

層開裂和纖維扭折等失效模式的發(fā)生順序，得到主要的能量吸收斷裂過程，并確定這些過程如何受制備條件和目標(biāo)響應(yīng)的影

響。

        研究人員研究了不同面密度的HB26層壓板的損傷力學(xué)和界面作用，通過一系列沖擊測(cè)試評(píng)估了不同微編織物增強(qiáng)的聚

合物基復(fù)合材料的彈道性能。結(jié)果顯示，微編織物增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的彈道極限比由單向纖維制造的正交層壓復(fù)合材料

提高了近20%。

        4.碳纖維

        碳纖維的楊氏模量通常是傳統(tǒng)玻璃纖維的三倍多，在軍事裝備的輕量化和提高生存性方面有重要應(yīng)用潛力。2015年，美

國(guó)喬治亞理工學(xué)院開發(fā)出一項(xiàng)基于聚丙烯腈(PAN)紡絲技術(shù)的凝膠紡絲連續(xù)碳纖維制備新工藝，制得的PAN基碳纖維的平均拉

伸強(qiáng)度在5.5~5.8GPa之間，拉伸模量在354~375GPa之間，拉伸模量比廣泛用于航空航天的IM7型PAN基碳纖維高出25%~

36%，其具備的強(qiáng)度和模量組合是PAN基連續(xù)碳纖維的最高值組合。未來通過優(yōu)化材料和工藝，PAN基碳纖維的強(qiáng)度和模量

將會(huì)得到更大的同步提高。

        5.PBO纖維

        PBO（聚對(duì)-亞苯基苯并雙噁唑）纖維最初由美國(guó)空軍研發(fā)，后來的產(chǎn)品由日本公司制造，PBO纖維被稱為是可替代芳

綸纖維的未來超高性能纖維，這種纖維密度比芳綸低，而力學(xué)性能和耐環(huán)境性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他芳綸纖維。

        2006年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)與美國(guó)陸軍簽訂合同，進(jìn)行彈道試驗(yàn)以確定Zylon纖維的抗彈性能。結(jié)果表明，Zylon纖

維比Kevlar29性能更好，用于裝甲，會(huì)有效增強(qiáng)防護(hù)性能和機(jī)動(dòng)性。盡管PBO纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)高模等優(yōu)點(diǎn)，但在防護(hù)應(yīng)用

中受限于使用過程的力學(xué)性能退化。為解決此問題，研究人員開發(fā)了一種超臨界CO2化學(xué)試劑擴(kuò)散后處理工藝來處理PBO纖

維，以降低其力學(xué)性能衰退速度，延長(zhǎng)使用壽命。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員對(duì)超臨界CO2后處理穩(wěn)定化

PBO纖維進(jìn)行了研究，以超臨界CO2作為提取劑萃取PBO纖維上殘存的磷酸和水分，并以之為媒介引入多種物質(zhì)中和磷酸，

減弱水和酸對(duì)PBO纖維的降解作用。

        抗彈纖維的疊絲可能是性能衰減的一個(gè)因素。研究人員研究了折疊對(duì)抗彈PBO纖維性能衰減的作用，通過實(shí)驗(yàn)確定了

這種失效機(jī)制對(duì)裝甲防護(hù)性能的影響。他們還進(jìn)一步研究了折疊對(duì)抗彈纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。日本研究人員對(duì)PBO纖維做了

大量研究，例如，他們研究通過熱處理來提高高模PBO纖維的拉伸和疲勞強(qiáng)度，研究剪切速率對(duì)高模PBO纖維拉伸強(qiáng)度的影

響等。

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