輕量化與強(qiáng)防護(hù)是裝甲裝備發(fā)展的永恒主題，而同時(shí)又是一對相互制約的矛盾。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、正向的復(fù)合效應(yīng)、性能和功能的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，其密度只有裝甲鋼的1/8～1/4，比強(qiáng)度是裝甲鋼的（4～10）倍；其防護(hù)機(jī)理不同于裝甲鋼和陶瓷主要依靠高硬度抵御彈丸侵徹，而主要是能量吸收機(jī)制，即通過材料塑性變形和斷裂吸收能量，不僅具有良好的防穿甲性能，還具有優(yōu)異的防碎片、防爆轟波性能。因此，高性能纖維抗彈復(fù)合材料用于裝甲防護(hù)，能夠大幅度地減輕裝甲質(zhì)量，或在相同質(zhì)量條件下提供更高的抗彈性能，是解決裝甲裝備輕量化與強(qiáng)防護(hù)矛盾的關(guān)鍵材料技術(shù)。

1.裝甲防護(hù)用纖維復(fù)合材料研究與應(yīng)用進(jìn)展

纖維復(fù)合材料是采用高性能纖維織物或混雜纖維織物，在一定的工藝條件下與樹脂基體復(fù)合而制得的具有較高防彈性能、能滿足特定防護(hù)需求的材料。其抗彈性能一般用單位面密度復(fù)合材料對特定彈種（或碎片模擬彈）的能量吸收值來表征，通常簡稱為比吸能（SEA）。

目前用于制備高性能抗彈復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維、聚苯并雙噁唑（PBO）纖維等；所用樹脂基體可以是熱固性樹脂，也可以是熱塑性彈性體，使用較多的是聚烯烴樹脂、改性酚醛樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂等，也可采用幾種樹脂基體混合使用，以得到最佳的防護(hù)性能。

與金屬防護(hù)材料相比，纖維復(fù)合材料具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）密度低、比強(qiáng)度和比模量高；（2）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；（3）良好的工藝性。由于具有以上顯著的優(yōu)點(diǎn)，高性能抗彈復(fù)合材料越來越多地被用于現(xiàn)代裝甲車輛的裝甲防護(hù)，以達(dá)到減輕裝甲質(zhì)量和提升防護(hù)性能的目的。根據(jù)纖維復(fù)合材料采用的增強(qiáng)纖維種類不同，目前裝甲防護(hù)領(lǐng)域常用的纖維復(fù)合材料可分為玻璃纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料、超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料、PBO纖維復(fù)合材料等。

1.1 玻璃纖維復(fù)合材料

玻璃纖維復(fù)合材料是第一代裝甲防護(hù)用抗彈復(fù)合材料，其價(jià)格比較低廉，抗彈性能良好，并兼具優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能。對同一口徑、同一種類的彈丸，玻璃纖維復(fù)合裝甲的抗彈能力可達(dá)到等重薄鋼板的3倍以上，并對破甲彈具有使射流彎曲、不規(guī)則斷裂失穩(wěn)的能力。

目前用于玻璃纖維復(fù)合材料的玻璃纖維主要包括高強(qiáng)玻璃纖維和無堿玻璃纖維（E玻纖）兩種，其中高強(qiáng)玻璃纖維有美國的S-2玻纖、日本的“T”玻纖、俄羅斯的“ВМЛ”玻纖、法國的R玻纖和國產(chǎn)的HS系列玻纖（見表1）。

表1 玻璃纖維的性能

1.2 芳綸纖維復(fù)合材料

芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料是第二代裝甲防護(hù)用抗彈復(fù)合材料，與玻璃纖維復(fù)合材料相比，其材料密度進(jìn)一步降低，而防護(hù)性能得到較大提升。目前主要用于復(fù)合裝甲和多功能內(nèi)襯材料。

芳綸纖維包括對位芳綸纖維和間位芳綸纖維兩大類，其中在抗彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用的主要是對位芳綸纖維。對位芳綸纖維是對位芳香族聚酰胺纖維的簡稱，它是美國杜邦公司在20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種高性能纖維材料。目前工業(yè)化生產(chǎn)的對位芳綸纖維主要是聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）纖維（見圖1），稱為芳綸1414或芳綸Ⅱ。對位芳綸纖維具有剛性棒狀的分子結(jié)構(gòu)和高度取向的分子鏈結(jié)構(gòu)，賦予纖維高強(qiáng)度、高模量、耐高溫特性，同時(shí)還具有耐化學(xué)腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的抗彈材料。

圖1 對位芳綸分子結(jié)構(gòu)

1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維在所有高強(qiáng)高模纖維中密度最小，與芳綸纖維相比，超高分子量聚乙烯纖維具有更高的強(qiáng)度、模量、比強(qiáng)度、比模量及聲波傳遞速度，其耐氣候老化性也優(yōu)于芳綸纖維，并且不吸水，不吸潮，因而對環(huán)境的適應(yīng)性更好；其主要的缺點(diǎn)是纖維的耐熱性低和阻燃性較差，纖維的最高應(yīng)用溫度不超過120 ℃，極限氧指數(shù)只有17。

目前國外工業(yè)化生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維主要有荷蘭DSM公司的“Dyneema”纖維和美國Honeywell公司的Spectra纖維等，主要性能見表2。

表2 國外超高分子量聚乙烯纖維性能

1.4 PBO纖維抗彈復(fù)合材料

PBO纖維是聚苯并雙噁唑（Poly-p-phenylene benzobisthiazole）纖維的簡稱，其特有的由苯環(huán)和芳雜環(huán)組成的剛棒形分子結(jié)構(gòu)（見圖2）和高度取向的分子鏈結(jié)構(gòu)使纖維具有極佳的力學(xué)性能，并具有很好的耐熱性能和阻燃性能，因此被認(rèn)為是目前強(qiáng)度最高、綜合性能最好的高性能有機(jī)纖維。 

圖2 PBO分子結(jié)構(gòu)圖

PBO纖維突出的高強(qiáng)、高韌性能使其具有極佳的能量吸收特性，同時(shí)其微纖化結(jié)構(gòu)和較低的界面粘接性能使其復(fù)合材料可通過原纖化和分層變形進(jìn)一步吸收沖擊能量，因此特別適合用于防護(hù)領(lǐng)域的抗彈抗沖擊材料（見圖3）。在相同的條件下，PBO纖維復(fù)合材料的最大沖擊載荷和能量吸收遠(yuǎn)高于芳綸和碳纖維：PBO纖維復(fù)合材料的最大沖擊載荷可達(dá)3.5kN，能量吸收為20J；而T300碳纖維復(fù)合材料的最大沖擊載荷為1kN，能量吸收約5J；芳綸復(fù)合材料的最大沖擊載荷約為1.3kN。

圖3 PBO纖維與芳綸纖維、碳纖維的性能特性對比

1.5 混雜纖維抗彈復(fù)合材料

混雜纖維復(fù)合材料可以彌補(bǔ)單一纖維材料的性能缺陷，使復(fù)合材料具有良好的綜合性能，同時(shí)，可以合理利用價(jià)格昂貴的纖維和低成本的纖維混雜增強(qiáng)同一樹脂基體，使材料成本降低，更具有實(shí)用性。為達(dá)到最佳的混雜效果，混雜方式可以采用層內(nèi)混雜、層間混雜、層內(nèi)混雜并層間混雜等。

瑞典防務(wù)研究所采用PBO纖維與碳纖維混雜制備兼具抗彈和結(jié)構(gòu)性能的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)裝甲，研究了不同纖維配比、樹脂基體和排列結(jié)構(gòu)等因素對混雜裝甲材料抗彈及結(jié)構(gòu)性能的影響(見圖4)，在此基礎(chǔ)上分別采用ZYLON AS織物/環(huán)氧樹脂和真空RTM工藝、ZYLON AS織物/PVB膜和模壓工藝兩條技術(shù)路線制備了熱固性、熱塑性結(jié)構(gòu)裝甲材料，可用于裝甲車輛、戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)斗艦船。

圖4 瑞典纖維混雜結(jié)構(gòu)輕質(zhì)裝甲性能

2.聚合物透明裝甲材料研究與應(yīng)用進(jìn)展

透明裝甲是指兼具透光、透像功能和一定防彈能力的透明防護(hù)材料/結(jié)構(gòu)，主要用于各種窗口和觀瞄部位的防護(hù)。它最早應(yīng)用于軍用飛機(jī)的前風(fēng)擋及尾艙觀察窗，后來逐漸發(fā)展到各種軍用設(shè)施和裝甲車輛上。

與傳統(tǒng)裝甲不同，透明裝甲選用的材料必須對可見光透明，這就大大限制了其材料選擇的范圍。目前透明裝甲使用的防護(hù)材料主要包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）等有機(jī)聚合物透明材料以及浮法玻璃、透明陶瓷等無機(jī)透明材料，使用的夾層粘接材料主要包括聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯、有機(jī)硅、丙烯酸酯等。

2.1 聚甲基丙烯酸甲酯透明裝甲材料

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)即有機(jī)玻璃，作為一種熱塑性材料，它比大多數(shù)種類的無機(jī)玻璃擁有更好的抗沖擊性。有機(jī)玻璃在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)，它是當(dāng)時(shí)飛機(jī)上輕型頂蓋罩和座艙蓋的唯一可選材料。

2.2 聚碳酸酯透明裝甲材料

聚碳酸酯（PC）的沖擊強(qiáng)度是有機(jī)玻璃的20倍，而且比有機(jī)玻璃擁有更高的玻璃化溫度和更強(qiáng)的耐火性，因而可更好地滿足透明裝甲提高防彈性能和減重的要求。表3是聚碳酸酯材料和有機(jī)玻璃材料的防彈性能對比（以鋼珠為子彈），可以看出，3 mm厚的聚碳酸酯材料和10 mm厚有機(jī)玻璃材料的防彈性能基本相當(dāng)，同時(shí)聚碳酸酯中彈后只是局部產(chǎn)生直徑小于10 mm的“鼓包”變形，而其他部分無任何損傷，具有典型的韌性材料特征；而有機(jī)玻璃有大面積的裂紋產(chǎn)生，并有碎片濺出，具有脆性破壞特征。

表3 PC與PMMA的防彈性能比較

2.3 聚氨酯透明裝甲材料

聚氨酯（PU）分子由硬、軟段組成，可以通過調(diào)節(jié)硬、軟段的組成或結(jié)構(gòu)對聚氨酯的特性進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的應(yīng)用要求。近年來，聚氨酯材料在透明裝甲上的應(yīng)用越來越廣泛。由它制成的產(chǎn)品既可以是堅(jiān)硬易碎的(用于面板)，也可以是柔軟易曲的(用于背板)。對一種聚氨酯面罩進(jìn)行的彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在同等質(zhì)量的基礎(chǔ)上，它比由聚碳酸酯和PMMA制成的面罩的防彈性能要強(qiáng)得多；同時(shí)，多種透明的聚氨酯已經(jīng)表現(xiàn)出比聚碳酸酯更好的耐折能力，同時(shí)還具有更強(qiáng)的耐久性和抗劃傷能力。

原文出自《材料工程》：

魏化震等.高分子復(fù)合材料在裝甲防護(hù)上的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料工程，2020,48(8):25-32

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000207

中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)將于2020年11月5日-7日舉辦第八屆國際復(fù)合材料科技峰會(huì)暨第四屆國際復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新成果技術(shù)展覽會(huì)。會(huì)議旨在立足復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展新態(tài)勢，加快復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)變革進(jìn)程、加強(qiáng)科技創(chuàng)新、深化交流合作；緊扣復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展新動(dòng)向，倡導(dǎo)基礎(chǔ)理論前瞻性與應(yīng)用研究實(shí)用緊密結(jié)合，引導(dǎo)復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的加速突破；貫徹落實(shí)復(fù)合材料發(fā)展新理念，促進(jìn)復(fù)合材料“產(chǎn)政學(xué)研用”進(jìn)一步融合，提升復(fù)合材料行業(yè)的國際競爭力。

會(huì)議日程

會(huì)議分會(huì)場及征文

本次會(huì)議采用征集論文簡報(bào)的形式進(jìn)行征稿，目前擬籌備以下四個(gè)分會(huì)場，涵蓋復(fù)合材料各個(gè)方面，其中分會(huì)場主題及分會(huì)場執(zhí)行主席為：

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