1、 70 材料导报A：综述篇 2013年6月(上)第27卷第6期现代防弹材料”江 洁12，董侠2，陈美玉1，来侃3，王笃金2(1西安工程大学纺织与材料学院，西安711048；2中国科学院化学研究所工程塑料院重点实验室，北京l00190；3总后勤部军需装备研究所，北京100010)摘要 防弹材料的研发和生产体现了国家的军事实力，是维护国民安全的重要保证。现代防弹材料的发展日新月异，已逐渐从单纯的防御性能向功能性、灵活性和经济性并存方向发展。从各类防弹材料的特点、防弹材料性能的测试研究进展和防弹性能的改善途径3个方面出发，综述了现代防弹材料的国内外研究进展，指出了其中存在的问题或不足，并预测了今后防
2、弹材料的发展趋势。关键词 防弹材料性能测试数值模拟性能改善中图分类号：TB3 文献标识码：AA ReView of Modern Bulletproof MaterialsJIANG Jiel，DONG Xia2，CHEN Meiyul，LAI Kan3，WANG Duj in2(1 Textiles and Materials C01lege，Xian P01ytechnic University，Xian 711048；2 Key Laboratory of Engineering P1astics，Institute of Chemistry，Chinese Academy of Sci
3、ences，Be幻ing 100190；3 Quartemaster Equipment ResearchInstitute of the General LogiStics Department，Be巧ing 100010)Abstract The research and development of bulletproof materials reflects the countrys military rnjght It 7 s asafety guarantee of the nation and the nationals Nowadays，modern bulletproof m
4、aterials have been developing rapid一1y Researchers pay more attentions to the coe)(isting of functionality，fle)【ibility and economical efficiency than thesingle defense perfoHnanceThe achievements of the modern bulletproof materials in the currently world from the aspects of classification，Ineasurem
5、ents and nlodification are reviewedThe e)(isting problems and deficiencies are pointedout，and the directions for future development of modern bulletproof materials are proposedKey words bulletproof materials，perfomance test，numerical simulation，perfo咖ance improvementO 引言从古代战争中抵御刀剑伤害的盔甲到现代兼具防弹、防腐和伪装等
6、功能的高性能防弹衣，从近身防御的防弹盾牌到远程作战的防弹战车，防弹装甲的蓬勃发展为配备者的生命财产安全提供了有力的保证。传统的防弹材料多为金属板和陶瓷板等单一材料，该类防弹材料需利用增加材料厚度或叠层使用等手段保证其防护效果，这给配备对象造成较大的质量负担，制约了战术战略的有效发挥。高性能防弹材料的出现解决了这一问题，20世纪六七十年代由美国杜邦公司推出的凯芙拉(Kevlar)纤维，是标志着防弹材料由硬质向软质转变的里程碑，也开启了现代防弹材料发展的大门。高性能纤维的发展改变了人们对材料防弹机理的认识，极大地拓展了防弹材料轻量化、舒适化发展的空间。现今，利用多种材料配合使用或添加功能性填料等手
7、段，制成高性能的组合防弹材料，并通过材料组成与配比的调节、结构的最优化设计、界面性能的改善或成型工艺的选择等途径，实现材料的结构化、轻量化并提高其防弹性能，是现代防弹材料研究的重要内容。国内外有许多综述文章，从不同角度对防弹材料及其发展状况进行了介绍，如对比介绍几种防弹材料的性能12、高性能防弹材料的发展r3“、防弹材料的设计选材影响因素5或分析材料的抗冲击过程67等方面。本文就国内外的发展趋势和研究现状，从防弹材料的分类、防弹性能的测试研究和防弹性能的改善途径3个方面，全面综述了现代防弹材料的研究进展。1 防弹材料的主要类型防弹材料有多种分类方法，按照原材料的种类分，已有的防弹材料主要有金属
8、板防弹材料、陶瓷板防弹材料、高性能纤维复合防弹材料和组合防弹材料等。金属和陶瓷类的防弹材料主要是利用自身的强度、硬度使弹体受挫、毁坏并*中国科学院知识创新工程重要方向性项目(K(X2一EW一210)江洁：女，1987年生，硕士生，从事纤维增强复合材料研究 E_mail：jian函iel28163com董侠：通讯作者，女，1973年生，博士，副研究员，从事多相多组分聚合物结构与性能关系研究、新型聚酰胺材料和纤维增强复合材料研究开发等工作Tel：010一82618533E-nlail：(iadongiccasaccn万方数据现代防弹材料江洁等 71 将碎裂后的弹体碎片弹开以达到防弹的目的；以高性能
9、纤维为主的软体防弹材料的防弹机理主要是在弹头对纤维进行拉伸和剪切时，通过改变织物结构和纤维断裂等方式，使冲击能吸收消释或沿纤维向冲击点以外的区域传播分散，从而达到防护效果；通过多种材料层叠设计配合，可以制备各组分优势互补的组合防弹材料，该类防弹材料不仅可以吸收或分散掉全部的冲击能量，还可以避免由于弹头的猛烈撞击使得材料变形而导致的配备人员的内脏损伤或者装甲的内部结构损伤，最大限度地降低弹体造成的伤害。11金属板防弹材料金属板防弹材料强度高、韧性好，主要应用于防爆车和装甲战车等特种车辆。当遇到高速冲击侵彻时，金属板防弹材料具有较高塑性变形能力且形变均匀，既能吸收高速子弹的动能，又可以避免材料的塑
10、性变形局部集中而引起的开裂。但是，金属防弹材料质量大、易锈蚀、制造及处理工艺复杂、难于制作异型结构件，且在减轻负重与增强防护性能两者之间很难取得平衡8一。因此，在保证金属材料强度和防弹性能的前提下，通过改善材料结构减轻质量及改善加工性能是该类材料研究的重点，如He等凹的研究证明，将金属板制成蜂窝三明治结构用作航空器热防护体系的面板，既降低了其质量，又具有较好的抗拉强度和耐热性能，可以有效抵御高频动态震动的冲击。12陶瓷板防弹材料陶瓷板材料具有极高的强硬度、弹性模量和相对金属较低的密度，化学稳定性良好，耐高温、耐冲蚀和耐磨损1，能在减轻装甲质量的基础上很好地抵御高速穿甲弹的侵蚀，用陶瓷材料作夹层
11、板与钢板组合使用，其防弹性能甚至超过同等厚度下均质钢装甲的2倍，该复合防弹材料已广泛应用于轻型装甲车辆中1。从1962年Goodyear公司研制出具有高硬度表面材料的复合装甲至今，已有许多先进的陶瓷防弹材料如Al。0。、B4C、SiC等相继问世，并以其高硬度、低密度的优越性能成为军事空间领域的理想材料。许多研究人员致力于改变制造条件以得到性能更加完善的陶瓷防弹材料，如在B；C陶瓷材料中添加适量的B、Si等可以改善B。C材料的烧结性能，且采用热等静压烧结工艺可以生产轻质高强且产品致密性较好的陶瓷防弹材料u“。然而由于陶瓷板材断裂韧性低、常温下热膨胀系数小、对加工工艺要求较高和抗多发弹打击能力差等
12、缺点，均质陶瓷材料还不能单独用于防弹装甲的制造，常用的方法是将陶瓷材料与纤维复合材料组合使用来改善其韧性、提高材料的防弹性能。13高性能纤维复合板防弹材料高性能纤维复合板防弹材料是采用一种或多种高性能纤维织物或其铺层，在一定的工艺条件下与树脂基体复合而制得的具有一定防弹性能的材料。高性能纤维具有优异的物理化学性能，如低密度、高的比强度和比模量、适当的断裂伸长率和良好的耐腐蚀性等。用高性能纤维复合板材制成的防弹制品不仅质量轻、柔韧性好，而且可设计性强、成型工艺简单，主要应用于防弹衣和防弹头盔等软体防弹领域1 2|。目前广泛使用的高性能纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯(UHMWP
13、E)纤维和聚对亚苯基苯并双嗯唑(PBO)纤维等，这些纤维与一种或多种树脂基体复合可以制成性能很好的防弹产品。二次世界大战期间出现的高强玻璃纤维复合材料是第一代复合装甲材料，虽然相比其他纤维玻璃纤维装甲相对密度较大，但由于其抗拉强度高、易于改性和廉价耐用的优势，玻璃纤维目前依然是装甲生产中不可缺少的材料。改性玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料的刚度可与装甲钢相当，其抗冲击性较佳且具有优异的耐化学腐蚀性能、力学性能及生产加工性能。133；通过液体成型技术制得的新型玻璃纤维增强改性环氧树脂的复合材料，可以制造以装甲车辆车体为代表的大型构件r1“。之后发展起来的碳纤维复合材料具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗
14、蠕变、能导电等优异性能，既能用作结构材料，又能用作功能材料，目前碳纤维已普遍应用于航空航天、工业民生的各领域之中人们对其进行性能改善的研究也不断加深，如用碳纤维增强环氧聚醚混合树脂，可得到具有很高拉伸强度、挠曲强度和断裂伸长率且熔融加工性能优良的复合材料口51；用羧基化碳纳米管对碳纤维环氧树脂复合材料进行改性，可以明显提高材料的力学性能和耐热性能1 6；。以Kevlar纤维为代表的芳纶纤维复合材料，具有在相同条件下强度高、韧性好、耐冲击、可设计性强、易于加工成型等优势1“，不仅大量应用于柔软轻便、舒适耐用的防弹衣的生产，还可以用于制作武装直升机和装甲战车的内壁衬层，防护效果极佳。uHMwPE纤
15、维具有突出的抗弹丸冲击性能和耐环境腐蚀性能，如用溶液纺丝法制得的商品化Dyneema纤维密度较低、耐气候性好，其纵向拉伸强度、拉伸模量、断裂能和传播声速都很高，由此种纤维制成的个人防护用品质量轻、具有较好的钝伤防护性能且穿着舒适，该纤维与合适的基体材料复合后还可作为轻型装甲的结构材料2，具有广阔的应用前景。PBo纤维是20世纪90年代由东洋纺织公司研制的高性能纤维，PBO纤维的强度、模量、耐热性、阻燃性和耐冲击性等都强于之前的高性能纤维，如今在实验室用非水型冷凝剂和常规的热处理方法已经得到了拉伸模量高达320360 GPa的PBO纤维”，而且PBO纤维在高温高湿下的强度保持率高、耐化学性优良、
16、绝缘性好，因而被视为理想的装甲防弹纤维材料1。但是PBO纤维制备工艺要求高、价格昂贵，与其有关的应用研究大多处于起步阶段，还未真正应用于实际防弹产品的生产之中。高性能纤维因其优良的物理化学性能在防弹领域的研究应用十分广泛，为满足抵抗不同冲击侵彻方式对于防弹材料的性能要求，除了选择合适的纤维外，还可以配合使用高性能树脂材料并通过变换其种类与用量对性能参数进行调节，以达到最终防护目的。在高性能纤维复合材料中，常常由于纤维表面光滑或缺少极性基团等原因导致与树脂基体之间的界面结合较弱，影响了复合材料的综合性能。因此，若要提高复合材料的性能指标，改善其界面结构以增强两相间的界面结合尤为关键。14组合防弹
17、材料目前对防弹材料高抗冲击、低负重、舒适耐用及其他特万方数据 72 材料导报A：综述篇 2013年6月(上)第27卷第6期殊防护性能的要求不断升级，单一材料已经不能完全满足使用要求，将以上材料中的两种或多种组合在一起制成多层组合防弹材料是研究的突破点。组合防弹材料各组分在性能上相互取长补短，产生协同效应，可使其综合性能相对于单一均质材料大大提高，如在船用钢装甲上附加一层陶瓷面板，可以显著降低弹体的侵彻、钝化及碎裂能，并在将其结构质量降低14的基础上还可以将抗冲击板的单位面密度吸能量提高35以上2叩；将陶瓷板材料作为高性能纤维复合防弹材料的抗冲击前板，可以代替笨重的合金材料应用在防弹装甲上2妇；
18、在玻璃钢中间夹人增韧聚丙烯制备的复合板材，其防弹效果明显比单一板材或以其他顺序组合的复合板材更加优越2幻；在烧结合金颗粒的钢板基体上覆盖混合均匀的塑料粉末，然后通过模压成型获得的金属塑料组合材料，既具有金属材料的力学性能，又具有较好的阻尼减振性能，且使用寿命较长2。目前对组合防弹材料的研究多集中于材料层的选择、结构的组合设计和层间粘合的改善等方面。SATekalur等24将聚脲(PU)与E_玻纤乙烯酯(EVE)复合材料制成不同顺序组合的层叠板材料或夹心板材料，通过肉眼观察、显微镜观测和实时观测3种手段对板材抗冲击实验后的破坏形式、破坏程度和实时弯曲形变量进行了研究，结果表明相同厚度下PU层面向
19、冲击管时层叠板的抗冲击性能比单独的EVE板要好，而抗冲击性能最好的组合顺序是EVEPUE的夹层结构，这为防弹材料的设计制造提供了新的依据。李爽等251对比研究了模压工艺制备的3种相同厚度的多层复合板材的抗冲击性能，这些复合材料分别由陶瓷板、纤维增强树脂基复合板(FRP)和金属板组合而成，实验中发现陶瓷钢FRP形式的复合板材在陶瓷层发生破坏时，作为背板的钢板和纤维增强树脂层发生了明显的体积变形和脱粘分层，吸收了大量高动能破片的冲击动能，其单位面密度吸能高达996 J(妇m2)，证明按此种结构设计的复合板材具有极佳的侵彻防护性能。现代防弹材料种类繁多、发展迅速，已逐渐从单纯的防御性能向功能性、灵活
20、性和经济性并存的方向发展。现今发展的主要目标是实现防弹材料的“质量轻、成本低、功能强且使用寿命长”的性能统一，伴随着制造工艺的进步与新材料的研制，未来必将会有更多实用耐用且功能强大的防弹材料出现。2防弹性能的测试研究防弹性能是衡量材料防护作用的关键指标，防弹性能主要是指防弹材料吸收或消释弹体的冲击能量、抵御其部分穿进或完全贯穿并防止其冲击波造成损伤的能力，材料的防弹能力随其韧性和弹性模量的提高而增大。为评价防弹材料的防弹能力，针对种类繁多的防弹材料建立统一的性能评价体系是至关重要的，这也有助于使用者根据不同的防弹要求选择合适的防弹材料。此外，在保证材料可靠性的前提下尽量降低设计生产成本，是指导
21、防弹材料工业化生产的根本，目前主要是通过数值模拟的方法建立模型来实现结构设计和性能预测。利用计算机数值模拟的手段，可以将材料的防弹性能与材料的微观结构、防弹机理、作用规律和极限设计厚度等进行关联，不仅能够提高人们对防弹材料的认识、为新型防弹材料的开发拓宽思路，也可以为防弹材料的设计生产节省大量的人力物力。21防弹性能测试对于材料防弹性能的测试，主要包括针对不同原料或结构的防弹靶板的性能分析研究2、靶板变形与破坏过程的研究27和靶板对冲击弹能量吸收与传播规律的总结283等方面，还包括研究材料的破坏与冲击弹的形貌材质、弹体结构、冲击弹速和着靶角度等参数之间的关系口930，并常与材料本身的力学性能相
22、关联3“，进而对材料防弹的性能规律进行总结。材料防弹性能的测量方法主要有弹道极限速度法和背板残余穿深法(DOP)等，测试方法的差异会对材料防弹性能等级的评价产生很大的影响，因此不同材料防弹性能的比较需依据相同测试条件下的结果。对于弹道极限速度法的定义，现今较为统一的说法是将其分为极限穿透速度法和V50弹道极限法两种，在弹体材质形貌和冲击角度等条件一定时，极限穿透速度为侵彻结束时剩余速度等于零时的破片的着靶速度或弹丸能穿透给定靶板的最低着靶速度32-3 4|，而V50弹道极限是指弹丸穿透给定靶板的概率为50时的模拟破片或特定弹丸的平均着靶速度3 335。一般来说，极限穿透速度法常用于金属装甲防弹
23、性能的评价，而V50弹道极限法对于以非金属材料为主的复合材料的防弹性能测试较为适用口。贾光辉等323采用钨球侵彻装甲板的极限穿透速度试验，计算了不同靶板材料的动态屈服强度，证明该强度与靶板厚度有直接关系，并对极限穿透速度的计算公式进行了修正；高润芳等343研究3种不同形状钨破片垂直侵彻装甲钢板体系后发现，破片形状或破片着靶姿态不同，实验测得的V50值与理论计算值间的大小关系会发生改变。弹道极限速度法因其符合实战环境的优势而得到了广泛的应用，但是该法工作量大、数据精度差且费时费力，所以仍需结合理论分析的方法缩小其测试范围。DOP法是指以一系列初速度一定的冲击弹对均质参照靶的极限穿深和对目标靶背后
24、的均质鉴证靶(与参照靶材料相同)的剩余穿深的差作为对比参量，比较目标靶板材料的抗弹性能的方法36_3引。孙宇新等361利用DOP法证明相同质量时A95型陶瓷板比A3型钢板的抗杆弹侵彻能力要强得多；黄良钊等37用DOP法测定陶瓷抗弹能力，发现增加约束条件可使防护系数提高1620；胡丽萍等嘞3采用DOP法评估穿孔结构装甲的抗弹性能，结果表明着弹点在不同位置时，所测得的穿孑L结构装甲抗穿甲弹能力差别极大。DOP法常用于表征冲击弹初速度大于极限弹道速度的情况下，防弹材料被穿透时的材料毁伤情况，简便而准确。对于不同应用领域的防弹材料，由于其防护的侧重点不同，对其各自的防弹性能也有不同的要求，并且需要兼顾
25、材料在实际环境中的使用性能，如军用防弹玻璃要求保证材料的抗冲击性且具有较好的透明度；对于防弹头盔和防弹衣等万方数据现代防弹材料江 洁等 73 软质防弹材料，既要测试其抗冲击侵彻性能，也要测试其冲击变形度，较小的变形可以避免对配备对象内部结构的非贯穿性钝伤；防弹车要求在保持强度的基础上尽量减轻负载。面对实际应用对于防弹产品多方面的要求，单一的测试标准并不能完全将其兼顾。因此，针对材料应用环境所需防弹的等级和特殊性能都有相应的测试标准。如防弹玻璃的防弹性能测试标准，按防弹等级分有我国国家标准GB 178401999、公安部防弹玻璃标准GA 1651997、军队防弹玻璃标准GJBZ 9001A_20
26、01和美国防弹玻璃标准NU STANDAR口010801等；按材料的应用领域分又有航空防弹玻璃标准GJB 5011988和GJB 5031988等，车辆船舶的防弹玻璃标准GJB 30301997、GB 9695一1996和GB 180452000等，还有银行用防弹玻璃标准ASTM F164296和GB 99631998等。针对不同级别和应用领域的防弹产品，分类建立更加规范完善的测试评价体系，是目前亟待解决的问题。22防弹性能的数值模拟要准确评价防弹材料的防弹性能，单纯的实验测试表征方法需要进行大量的试验，成本高、随机性大。为简化测试程序，改善表征的准确性，国内外学者普遍采用数值模拟手段与实验结
27、论相结合的方法，对防弹材料的防弹性能和破坏机理进行研究。目前该方法的研究已经取得了一定的成果，在相应测试标准的基础上建立了二维的或三维的模型及其评价体系，简化了对防弹材料的综合性能研究及性能预测，并可以指导材料的设计与加工。数值模拟方法操作简单、参数可调、省时省力、不受客观条件的限制，可以在一定范围内对板材的性能给出评价，主要用于解读防弹材料的作用规律3 9|、模拟材料的变形方式、预测材料的极限设计参量4、对结果进行验证分析41或得到改进材料结构性能的途径42等。常用的数值模拟方法是应用ANSYSL孓DYNA有限元分析软件，选择性采用三维实体单元建立模型4 34“，设置恰当的参数、变量和状态方
28、程，模拟防弹板材的动态破坏过程，模拟计算材料的抗冲击能力、极限设计厚度，或分析冲击弹型、弹速及弹的长径比对不同铺层混杂结构靶板的侵彻影响。另外，复合防弹板材的分层问题可通过CODAC损伤代码或分层极限载荷法进行预测分析4印；对于防弹材料变形方式的模拟，可以利用Impetus有限元软件进行，它是专门用于模拟材料结构在高速冲击载荷下变形方式的软件。针对在实验中不能够说明的某些复杂问题，选用可靠的模型模拟得到合理的结论，可以指导实验的改进与设计参数的选择，为防弹材料的最优化设计、防护水平的提高提供依据。MGrujicic等2妇建立了一种以正交排列的定向超高分子量聚乙烯纤维基防弹复合材料板材为原型的简
29、单的单元连续损伤基材模型，该模型可对弹药侵彻装甲的过程进行准确的分段，他们分别采用两种型号的冲击弹、4种弹速，对5个厚度的装甲板进行实际侵彻，并利用一系列的非线性动态有限元对该过程进行计算模拟，证明试验与模拟结果基本相符。常敬臻等46朋利用ANsYsL孓DYNA有限元分析软件分析发现，采用JohnsonCook本构模型能够较好地模拟金属类延性材料在强动载荷作用下的物理力学特性，且能够应用到防弹钢板的塑性强化特性的分析、极限设计厚度的预测和弹型弹速等对防弹钢板侵彻能力影响的考察上。杜忠华等483根据实验现象、复合材料的本构关系和失效准则以及动量和能量守恒原理，建立了复合材料层合板抗弹性的工程分析
30、模型，给出了此类层合板弹道极限速度V50的预测公式，并用实验证明该模型可以较好地模拟复合材料层合板的弹道极限速度、预测材料的抗弹性能，为工程技术人员进行防弹设计提供参考数据。高水平的防护装甲产品源于性能优良的防弹材料，研究材料防弹机理和性能参数的最终目的是提供防弹材料最优化设计的方案。将数值模拟手段与表征防弹材料性能的测试方法结合使用，可以迅速地得到材料的防弹性能参数，避免大量的重复实验，节约成本。3防弹材料的性能改善现今在防弹材料的发展领域中复合材料已占有不可替代的重要地位，尤其是质优价廉的高性能纤维增强树脂基复合材料也逐渐从个体防护领域的局限中走出来，大量应用在战车坦克、航空军舰等军事领域
31、，极大地推动了整个国防军事产业的进步。复合材料具有轻质高强、可设计性强、多部件一体化、制造成本低、开发周期短等多种优势，因此成为防弹材料设计中的必备选项，防弹复合材料性能的提高程度决定了防弹材料发展的步伐。针对此类材料的增强改性研究主要集中于以下几个方面：合适的组分与配比、结构最优化设计、界面的结构与性能以及材料成型工艺的选择等，但是，仅采用一种方法往往并不能达到性能最优化的目的，多种手段并用是研究者们实现产品设计的策略。31 材料的组成与配比防弹复合材料组分的选择与配比的优化是制备性能完善的防弹材料的基础。基体材料既应具有良好的韧性，又要满足制备工艺和使用环境的特殊要求；增强材料应具有足够的
32、强度和模量，与基体材料的性能相匹配且两者间应具有良好的界面结合。如将高模量的纤维与高模量的基体树脂配合，其纤维增强防弹复合材料的抗冲击强度将提高，而与低模量的树脂配合时，冲击强度则会下降。酚醛聚乙烯醇缩丁醛(PvB)树脂板的准静态侵彻刚度随着纤维织物层的加入而显著提高，并且层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量也随着混杂体积分数的提高而增加4朝；当聚酯纤维含量在30时，利用针刺热压法制得的复合非织造布可以替代原始的尼龙平纹织物垫材，在防弹衣中起到更好的抗变形防护作用5。设计材料有时也会加入多种填料，通过调节添加物种类和添加量来达到最佳增强效果。如在玻璃纤维增强环氧树脂体系中加入3540的活性稀释剂甲
33、基丙烯酸甲酯时该体系具有低粘度、低成本、高性能的特点143；通过向木纤维增强聚丙烯复合材料体系中加入增容剂PP-g-MAH或增韧剂可对材料的拉伸强度、弯曲强度和韧性进行调节5“。32结构最优化设计材料的结构设计一般是指多层结构材料的混杂铺层设万方数据 74 材料导报A：综述篇 2013年6月(上)第27卷第6期计、三维立体结构设计和特殊性结构的设计等，包括材料层厚度的控制、材料组成次序和连接方式的设计等。混杂铺层的材料同时具有功能和价格上的优势，增大了设计的自由度，简化了材料性能的控制条件，且采用不同的混杂比、层厚和混杂结构，都会影响复合材料的最终性能。如酚醛PvB树脂板与纤维织物层混杂铺层时
34、，织物层在两侧的靶板具有较大的侵彻阻力523；在有表面载荷或三维载荷作用时，纤维含量较低的多层平纹纬编针织玻璃纤维聚丙烯(GFPP)复合材料的能量吸收能力明显高于机织和无皱褶织造的GFPP复合材料D胡；在环氧玻璃钢体系中沿受力方向的纤维对垂直于纤维方向裂纹的扩展有很好的阻止作用，所以O。45。90。一45。铺设的层压板的冲击强度明显高于o。90。的铺层设计r2“。在原料及其配比、制造工艺都相同时，不同编织方式的纤维织物复合材料由于纤维传播冲击能的方式不同，在相同的面密度下其抗弹性能也有很大的不同，如芳纶复合材料的抗弹性能为：正交铺层方格布平纹布54；在含有PBO纤维、UHMwPE纤维或芳纶纤维
35、的体系中，一般其抗弹性能的顺序为：无纬布机织布针织布。目前也有许多研究致力于开发结构一功能一体化的新型材料，如多孔结构、仿生结构等。多孔结构材料一般具有大幅度降低质量、吸收冲击能、隔热降噪减震等特点口，是目前应用领域迅速扩大的一类材料。多孔结构现有多种结构形态，如泡沫型结构、格栅结构、点阵结构等。5“。点阵结构由于具有可设计性强、材料性能易控制等优势，成为多孔结构中研究最多的一类，点阵结构又有四面体型、金字塔型、3DKagome型、菱型等多种拓扑结构。wadley小组对于多孔结构材料的研究十分深入，从结构设计58到材料组装5 9I、从理论分析6叩到实验操作酯圮都有大量的研究成果，为多孔材料的实
36、际应用提供了依据。许多天然生物体结构(如蜘蛛丝、贝壳、骨骼等)是多功能复合材料高度有序结构化的典范，也是防弹材料的仿生制备目标6 2|。其中生物体的牙齿、骨骼等类骨组织集质轻、最优化强度、坚韧稳定和多层次结构等近乎完美的优秀特质于一身，为纳米尺度下仿生复合防弹材料的研究开发提供了一条新思路。仿生技术的优点在于：通过有机物分子与无机粒子的相互作用，能在温和的条件下合成出结构多级、形貌特殊、性能优异的无机有机复合材料6。但由于影响生物矿化的微环境相当复杂，尽管通过各种方法已经合成了许多不同形态的仿生材料，但至今还未能真正通过化学方法获得与自然界中微观结构和功能相似的仿生材料。仿生技术是多学科交叉的
37、前沿技术，对于防弹材料的发展也具有重要的引领意义。33界面性能的改善防弹复合材料中各组分间的界面是完成各相间应力传递的重要组成部分，只有通过恰当的界面结构，增强相才能实现增强基体材料性能的目的，在界面处材料的组成状态6“、结晶形态”_673和力学行为等删都会随着材料表面的化学性质和处理条件的不同发生很大的变化，一般通过界面性能的改善能够大幅度地提高材料的性能。改善界面性能的方法主要有基体树脂改性、增强材料表面改性和第三组分的加入等。Zhang等6叼利用氧化石墨烯片层表面涂层改性的碳纤维制成碳纤维增强树脂基复合材料，测试证明片状氧化石墨烯在碳纤维表面分散良好、分布均匀时，能有效地阻止基体中裂纹的
38、扩展，最终使得材料的界面剪切力、层间剪切强度、界面张力、拉伸强度和拉伸模量等均有所增加。张玲等7叼利用静电相互作用在玻璃纤维表面复合纳米二氧化硅和多壁碳纳米管，分别制备出GF_Si0。和GF_MWNTs复合增强体增强尼龙6树脂的复合材料，测试结果表明纳米材料的复合能够增强复合材料的界面结合，明显改善复合材料的力学性能。程先华等71用稀土表面改性剂处理玻璃纤维，再用其填充金属一塑料多层复合材料，研究证明这种改性方法可以提高玻璃纤维与聚四氟乙烯之间的界面结合力，有利于在器件表面形成分布均匀、结合强度高的转移膜，减轻相对摩擦，从而使复合材料具有优良的摩擦性能和抗冲击磨损性能。其次，对于层状复合材料，
39、层间粘合的优化设计也是增强材料防弹性能的重要方面，层间胶粘剂需具备高的剪切强度、剥离强度及优良的韧性，一般分为热固性胶粘剂和热塑性胶粘剂两类。如聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯层间用聚氨酯胶片粘合，可以制造性能良好的透明防弹板；用普通聚醚多元醇制备的高强度透明聚氨酯，可以用作粘结玻璃和聚碳酸酯板材的胶粘剂，制得的复合防弹材料具有良好的防弹性能7。34材料成型工艺的选择成型工艺及其参数的选择是控制产品质量的重要手段，采用不同成型工艺制造的产品的防弹性能及吸能机理也各不相同。防弹复合材料常见的成型工艺主要有手糊成型、传递模塑成型7“、注射成型74、模压成型m、渗浸成型、纤维缠绕成型口6。、拉挤成型、袋压
40、成型(包括真空袋压、加压袋法、热压罐法)研3等，其中常用的手糊成型易于操作、成本低，可以生产尺寸大、形状复杂的产品，但生产效率低、工作量大；模压成型制品尺寸准确，但是模具复杂、成本高，不适用于大型产品的成型；纤维缠绕成型工艺可连续机械化生产、生产周期短，但产品质量不易控制；袋压工艺参数易实现，但只适用于制备薄层复合材料制品。RTYoung等口4对玻纤增强酚醛树脂复合材料的注射成型工艺参数进行了研究，分析了材料的注射速度、纤维体积含量和树脂的预固化程度等对复合材料中纤维的断裂和取向及产品的力学性能的影响。TQ“等753证明通过控制过程条件可以明显改变产品的力学性能，如提高颗粒的熔融程度通常会得到
41、剪切强度和模量都增大的产品，且熔融时间越长，剪切强度越大。贺金瑞等口8探索了改变模压成型的工艺参数后连续玻璃纤维增强尼龙6复合材料力学性能的变化，发现成型温度对复合材料的成型影响最大，且在250和l MPa下模压1 h时复合材料层压板的纤维分布均匀且力学性能优异。材料成型过程对于产品最终性能有着决定性的作用，这既需要原材料本身具有良好的成型性能，还要求成型设备具有可靠的精密性以及操作过程的程序化控制。通过改进成型方法，在常态下得到性能万方数据现代防弹材料江 洁等 75 符合要求的产品、缩短生产周期、降低成本等都是现今高性能防弹复合材料成型工艺研究的主要方向。目前，在防弹装甲中加入复合材料层已经
42、成为减轻装甲质量的必要手段2 07 9|，通过改善材料结构或改进生产工艺以达到材料增强的效果也屡见不鲜8。事实证明，通过不同手段改善防弹复合材料性能是推进防弹材料高性能化飞速发展且简便经济的最佳途径。4结语由于科技进步，现代高性能防弹材料已经向着质轻、舒适、低成本、多功能、高性能等方向发展，为使用者提供了越来越可靠的安全保障。未来的研究应兼顾传统材料的改进和新型防弹材料的研发两个方面，将新型高性能材料与传统材料配合使用，优势互补。通过原料选择及配比的优化、结构的合理设计、界面性能的控制以及生产工艺的恰当选择，并在实验基础上灵活运用数值模拟手段进行理论设计和性能预测以简化防弹产品的设计和测试步骤
43、，最终实现材料功能性开发与综合性能优化的目标，同时满足材料的经济性与功能性要求，这些都是高性能防弹材料研究应考虑的主要内容。参考文献1韩辉，李军，等陶瓷一金属复合材料在防弹领域的应用研究J材料导报，2007，21(2)：342仲伟虹，张佐光，等新型防弹材料一超高分子量聚乙烯纤维J兵器材料科学与工程，1995，18(5)：603虢忠仁，杜文泽，等芳纶纤维抗弹复合材料研究进展J工程塑料应用，2009，37(1)：754郑震，杨年慈，等硬质防弹纤维复合材料的研究进展J材料科学与工程学报，2005，23(6)：9055 Grujicic M，Bell W C，et a1Des适n and materi
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