【行業資訊】高分子複合材料在裝甲防護上的研究與應用進展

輕量化與強防護是裝甲裝備發展的永恆主題，而同時又是一對相互制約的矛盾。纖維增強樹脂基複合材料具有高比強度、高比模量、正向的複合效應、性能和功能的可設計性等特點，其密度只有裝甲鋼的1/8～1/4，比強度是裝甲鋼的（4～10）倍；其防護機理不同於裝甲鋼和陶瓷主要依靠高硬度抵禦彈丸侵徹，而主要是能量吸收機制，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，還具有優異的防碎片、防爆轟波性能。因此，高性能纖維抗彈複合材料用於裝甲防護，能夠大幅度地減輕裝甲質量，或在相同質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防護矛盾的關鍵材料技術。

1.裝甲防護用纖維複合材料研究與應用進展

纖維複合材料是採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複合而製得的具有較高防彈性能、能滿足特定防護需求的材料。其抗彈性能一般用單位面密度複合材料對特定彈種（或碎片模擬彈）的能量吸收值來表徵，通常簡稱為比吸能（SEA）。

目前用於製備高性能抗彈複合材料的增強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、聚苯並雙噁唑（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，也可採用幾種樹脂基體混合使用，以得到最佳的防護性能。

與金屬防護材料相比，纖維複合材料具有以下顯著優點：（1）密度低、比強度和比模量高；（2）可設計性強；（3）良好的工藝性。由於具有以上顯著的優點，高性能抗彈複合材料越來越多地被用於現代裝甲車輛的裝甲防護，以達到減輕裝甲質量和提升防護性能的目的。根據纖維複合材料採用的增強纖維種類不同，目前裝甲防護領域常用的纖維複合材料可分為玻璃纖維複合材料、芳綸纖維複合材料、超高分子量聚乙烯纖維複合材料、PBO纖維複合材料等。

1.1 玻璃纖維複合材料

玻璃纖維複合材料是第一代裝甲防護用抗彈複合材料，其價格比較低廉，抗彈性能良好，併兼具優良的結構性能。對同一口徑、同一種類的彈丸，玻璃纖維複合裝甲的抗彈能力可達到等重薄鋼板的3倍以上，並對破甲彈具有使射流彎曲、不規則斷裂失穩的能力。

目前用於玻璃纖維複合材料的玻璃纖維主要包括高強玻璃纖維和無鹼玻璃纖維（E玻纖）兩種，其中高強玻璃纖維有美國的S-2玻纖、日本的「T」玻纖、俄羅斯的「ВМЛ」玻纖、法國的R玻纖和國產的HS系列玻纖（見表1）。

表1 玻璃纖維的性能

1.2 芳綸纖維複合材料

芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維複合材料是第二代裝甲防護用抗彈複合材料，與玻璃纖維複合材料相比，其材料密度進一步降低，而防護性能得到較大提升。目前主要用於複合裝甲和多功能內襯材料。

芳綸纖維包括對位芳綸纖維和間位芳綸纖維兩大類，其中在抗彈複合材料領域應用的主要是對位芳綸纖維。對位芳綸纖維是對位芳香族聚醯胺纖維的簡稱，它是美國杜邦公司在20世紀70年代開發的一種高性能纖維材料。目前工業化生產的對位芳綸纖維主要是聚對苯二甲醯對苯二胺（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構和高度取向的分子鏈結構，賦予纖維高強度、高模量、耐高溫特性，同時還具有耐化學腐蝕、耐疲勞等優點，是一種理想的抗彈材料。

圖1 對位芳綸分子結構

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度、模量、比強度、比模量及聲波傳遞速度，其耐氣候老化性也優於芳綸纖維，並且不吸水，不吸潮，因而對環境的適應性更好；其主要的缺點是纖維的耐熱性低和阻燃性較差，纖維的最高應用溫度不超過120 ℃，極限氧指數只有17。

目前國外工業化生產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纖維抗彈複合材料

PBO纖維是聚苯並雙噁唑（Poly-p-phenylene benzobisthiazole）纖維的簡稱，其特有的由苯環和芳雜環組成的剛棒形分子結構（見圖2）和高度取向的分子鏈結構使纖維具有極佳的力學性能，並具有很好的耐熱性能和阻燃性能，因此被認為是目前強度最高、綜合性能最好的高性能有機纖維。

圖2 PBO分子結構圖

PBO纖維突出的高強、高韌性能使其具有極佳的能量吸收特性，同時其微纖化結構和較低的界面粘接性能使其複合材料可通過原纖化和分層變形進一步吸收衝擊能量，因此特別適合用於防護領域的抗彈抗衝擊材料（見圖3）。在相同的條件下，PBO纖維複合材料的最大衝擊載荷和能量吸收遠高於芳綸和碳纖維：PBO纖維複合材料的最大衝擊載荷可達3.5kN，能量吸收為20J；而T300碳纖維複合材料的最大衝擊載荷為1kN，能量吸收約5J；芳綸複合材料的最大衝擊載荷約為1.3kN。

圖3 PBO纖維與芳綸纖維、碳纖維的性能特性對比

1.5 混雜纖維抗彈複合材料

混雜纖維複合材料可以彌補單一纖維材料的性能缺陷，使複合材料具有良好的綜合性能，同時，可以合理利用價格昂貴的纖維和低成本的纖維混雜增強同一樹脂基體，使材料成本降低，更具有實用性。為達到最佳的混雜效果，混雜方式可以採用層內混雜、層間混雜、層內混雜並層間混雜等。

瑞典防務研究所採用PBO纖維與碳纖維混雜製備兼具抗彈和結構性能的結構輕質裝甲，研究了不同纖維配比、樹脂基體和排列結構等因素對混雜裝甲材料抗彈及結構性能的影響(見圖4)，在此基礎上分別採用ZYLON AS織物/環氧樹脂和真空RTM工藝、ZYLON AS織物/PVB膜和模壓工藝兩條技術路線製備了熱固性、熱塑性結構裝甲材料，可用於裝甲車輛、戰鬥機和戰鬥艦船。

圖4 瑞典纖維混雜結構輕質裝甲性能

2.聚合物透明裝甲材料研究與應用進展

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材料/結構，主要用於各種窗口和觀瞄部位的防護。它最早應用於軍用飛機的前風擋及尾艙觀察窗，後來逐漸發展到各種軍用設施和裝甲車輛上。

與傳統裝甲不同，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範圍。目前透明裝甲使用的防護材料主要包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）等有機聚合物透明材料以及浮法玻璃、透明陶瓷等無機透明材料，使用的夾層粘接材料主要包括聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯、有機矽、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)即有機玻璃，作為一種熱塑性材料，它比大多數種類的無機玻璃擁有更好的抗衝擊性。有機玻璃在軍事領域的應用可以追溯到第二次世界大戰，它是當時飛機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）的衝擊強度是有機玻璃的20倍，而且比有機玻璃擁有更高的玻璃化溫度和更強的耐火性，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厚有機玻璃材料的防彈性能基本相當，同時聚碳酸酯中彈後只是局部產生直徑小於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徵；而有機玻璃有大面積的裂紋產生，並有碎片濺出，具有脆性破壞特徵。

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，可以通過調節硬、軟段的組成或結構對聚氨酯的特性進行調整，以滿足不同的應用要求。近年來，聚氨酯材料在透明裝甲上的應用越來越廣泛。由它製成的產品既可以是堅硬易碎的(用於面板)，也可以是柔軟易曲的(用於背板)。對一種聚氨酯面罩進行的彈道實驗結果顯示，在同等質量的基礎上，它比由聚碳酸酯和PMMA製成的面罩的防彈性能要強得多；同時，多種透明的聚氨酯已經表現出比聚碳酸酯更好的耐折能力，同時還具有更強的耐久性和抗劃傷能力。

原文出自《材料工程》：

魏化震等.高分子複合材料在裝甲防護上的研究與應用進展[J].材料工程，2020,48(8):25-32

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000207

中國複合材料學會將於2020年11月5日-7日舉辦第八屆國際複合材料科技峰會暨第四屆國際複合材料產業創新成果技術展覽會。會議旨在立足複合材料產業發展新態勢，加快複合材料產業變革進程、加強科技創新、深化交流合作；緊扣複合材料行業發展新動向，倡導基礎理論前瞻性與應用研究實用緊密結合，引導複合材料相關技術的加速突破；貫徹落實複合材料發展新理念，促進複合材料「產政學研用」進一步融合，提升複合材料行業的國際競爭力。

會議日程

會議分會場及徵文

本次會議採用徵集論文簡報的形式進行徵稿，目前擬籌備以下四個分會場，涵蓋複合材料各個方面，其中分會場主題及分會場執行主席為：

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峰會聯繫人：

張力心 18310499369（同微信）

潘雨薇 18600643455（同微信）

原標題：《【行業資訊】高分子複合材料在裝甲防護上的研究與應用進展》

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