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西北工业大学冲击动力学作业2015年2月15日学生姓名：吴蓓蓓学号：2014200017班级：14201-3学院：航空学院专业：固体力学防弹材料的发展综述0前言当前，在全球范围内，地区发展的不平衡和局部冲突的进一步加剧，加之全世界的反恐形势越发严峻，市场上急需大量的个体防护装备和防护装甲。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。随着国内外市场需求量的急剧上升，高性能防弹材料总体上出现供不应求的局面。而且面对日益严峻的反恐形势，处在第一线的军警急需配备更加精良的装备。今年在北京开幕的第七届中国国际警用装备博览会（警备展）上，中国尖端防弹复合材料的展示，引起了专业人士的广泛关注。名为普优泰的尖端防弹材料由中国本土生产特力夫超高分子量聚乙烯纤维的帝斯曼爱地纤维功能材料事业部与行业领域知名的防护复合材料生产商北京普诺泰新材料科技有限公司共同推出，不仅防弹性能优异，而且重量超轻，较市场同类产品减轻30-40%的重量，是目前中国市场性能最先进的防弹材料，已经达到国际先进水平，既能制作防弹衣、防弹头盔、插板、盾牌、排爆服等，又能够制造车体装甲。本届警备展展出的尖端防弹材料，其面市标志着从纤维到复合材料产业链的两大重要环节实现了巨大突破，国产防弹复合材料已经稳固地处于国际先进水平，对进一步推进防护材料的国产化具有积极作用。从1893年第一件商用防弹衣起，防弹材料由最初简单的丝质纤维，坚硬的金属、陶瓷制品到硬质碳纤维、玻璃纤维，高能软质纤维，再到高能纤维复合材料，不断的发展进步，直至今日还有不同的创新防弹材料在研究之中。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，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。1防弹材料简介1.1防弹材料的发展历史1893年，洛杉矶市市长遇刺后，第一件商用防弹衣也问世了。这款4层防弹衣厚约3.2毫米，全部由丝绸纤维制成，可抵御那个时代大多数低速子弹。第一次世界大战爆发后，战前流行的丝制防弹衣防弹不仅防弹能力有限，而且价格昂贵，在战壕中容易变质，所以金属制防弹衣成为军队的首选。二战爆发后，军用防弹衣的需求重新高涨起来。由于技术的进步，新式锰钢防弹衣、SN-42钢制防弹衣的重量大大减轻，还研制出一种更轻的陶瓷防弹衣[1]。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，Kevlar是一种软性纤维，既柔软如棉坚韧如钢。据测定，它的强度是同等质量钢铁的5倍，密度仅为1/5。用这种材料制成的新式防弹衣穿在身上，既柔软伸屈自如，又有很强的防弹能力；1986年美国联合信号公司得到荷兰DSM公司专利许可后，开始以Spectra为商标生产超高分子量聚乙烯纤维。这些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[2]。1.2防弹材料的用途和分类1.2.1防弹材料的用途防弹材料主要用于个体防护装备和防护装甲两部分。个体防护装备是以保证各类人员在值勤和工作中的人身安全为目的的个人装备[3]。广义上来说，个体防护装备具有以下一些主要特点：以保护人员个体的安全和健康为根本目的；以不影响值勤和工作生活的必要技能为基本要求；以防御恶性、突发性事件的损伤为主要目标；是保障人员生命安全的最后屏障。作为整个个体防护装备的载体，防护材料一直占有举足轻重的作用，因为任何在防护材料上的技术革新都会从根本上改变整个个体防护装备的现有模式和引领未来个体防护装备的发展趋势。现代战争中，防弹装甲材料是不可缺少的生存之本，是军事武器的关键技术之一。以空军为例，随着地面防空力量的不断增强，对地攻击的军机面临着强大的地面火力，故而必须装备先进的防弹装甲材料，以便提高其抗弹生存能力。据报道，海湾战争中击落的五架狂风式战斗机，其中四架是被地面武器打下的，可见现代武器的杀伤能力已经有了飞速发展，所以开展新一类防弹材料，特别是轻质高效防弹材料的研究，对加强国防建设和维护社会治安都有着极其重要的意义。1.2.2防弹材料的分类按照原材料的种类分，已有的防弹材料主要有金属板防弹材料、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。防弹材料有硬质防弹材料和软质防弹材料之别。防弹的实质，就是防弹材料将弹头或弹片的冲击能量全部吸收，使得这类冲击物无力继续前进而被阻隔，从而达到防护目的。硬质防弹材料受到高速子弹冲击后，一方面防弹材料自身变形、碎裂等吸收子弹的动能，同时利用自身硬度改变弹头或破片的形状并将自动反弹开，消耗子弹动能，起到防弹作用。而软质防弹材料的防弹机理主要也是两个方面：一是将弹体变形/碎裂，变形/碎裂后的弹头/破片被防弹材料反弹开；二是通过防弹材料的拉伸变形、断裂等方式消耗弹头的动能[4]。2陶瓷材料2.1概况早在1918年人们就发现，在金属表面覆着一层薄而硬的瓷釉面，可显著提高其抗弹性能。1962年，Goodyear航空航天公司研制出了具有高硬度表面材料的复合装甲。美国人将23AlO陶瓷块粘到相对薄（约6mm）的韧性铝背板上，用7.62mm穿甲弹射击这种靶板，同时还借助于高速摄影和HETP有限差分计算程序对弹靶作用过程进行模拟，对陶瓷复合装甲防弹机理进行了深入的研究。1965年，又推出了以4BC为材质的防弹陶瓷装甲，4BC陶瓷的硬度仅次于金刚石，达努氏硬度2900以上，且其密度低（32.5/gcm），特别适合军用飞机作防弹面板材料。随后又发展了由陶瓷面板与先进的复合材料背板组成的防弹陶瓷复合装甲，70年代后，美国等西方军事大国已将各种防弹陶瓷复合装甲在运兵车、坦克、军机等装备上广泛应用。从各种防弹陶瓷材料的使用状况来看，特种防弹陶瓷以其优异的防弹性能、较轻的质量及相对便宜的价格成为使用最为广泛的防弹材料。目前在主战坦克上将陶瓷用做间隙复合装甲的夹层材料更为普遍，这是因为陶瓷不仅能消耗穿甲弹的动能，还可借助高熔点的特性来制成各种曲面形状，分散破甲弹的熔融金属射流。目前，国内外主要使用的特种防弹陶瓷有23AlO、4BC、SiC、2TiB、AlN、34SiN、Sialon等。陶瓷防弹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，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[5]。正是由于23AlO陶瓷在军用防护装甲中得到广泛应用[6]，其动态力学性能就显得很重要。高应变率范围（3410~10/s）陶瓷材料的动态力学响应，主要运用平板撞击实验技术。对于低于310/s的应变率范围内G.Kennedy采用SHPB装置研究了两种微结构的2TiB+23AlO两相陶瓷抗压强度的不同。黄良钊采用SHPB装置对95瓷、97瓷、99瓷的动态力学性能进行了研究[7]，得到了一些初步的结论；张晓晴采用改进的SHPB实验方法对23AlO陶瓷的动态力学性能进行了研究，得到了较高应变率范围的应力应变曲线[8]。2.2复相陶瓷材料为了进一步提高特种防弹陶瓷的抗弹能力，人们除了从晶体界面、离子半径、化学键等考虑外，主要考虑加入第二相，即在特种防弹陶瓷中加入补强增硬相。加入的添加剂可以是陶瓷颗粒（如pSiC）或晶须（如wSiC），也可以是纯金属，所构成的陶瓷称为陶瓷基复合材料或复相陶瓷材料。通过对23AlO复相陶瓷制成品进行力学性能及实弹打靶测试表明，这种复相陶瓷的各项性能指标（抗压强度、抗弯强度、断裂韧性及硬度）均有一定的提高，其防护性能比均一相的23AlO陶瓷有大幅度提高[9]。2.3纳米陶瓷材料在结构陶瓷材料研究领域，新原皓一等率先将纳米级陶瓷颗粒作为弥散相引入微米级陶瓷基体中制得所谓纳米复合陶瓷，取得了很好的增强增韧效果。莫来石基、氧化镁基和氮化铝基等系统的陶瓷经纳米复合后，常规力学性能、蠕变强度和高温性能都有大幅度提高。效果最为显著的是新原皓一等发表的结果，不同系列的陶瓷断裂强度提高2～3倍，断裂韧性提高2～4倍；最高使用温度可达1200～1500℃，其中MgO/SiC（n）陶瓷使用温度提高800℃（从原来的600℃提高到1400℃）。Koehler提出，纳米复合材料中高硬度粒子的尺寸减小到纳米尺度时，内部位错极少，具有高强度、高硬度；且其弥散的分布对强度较低基体中位错的增值和移动有钉扎作用，从而提高强度[10]。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。3高能纤维材料3.1Kevlar纤维作为最早的纤维防弹材料，Kevlar密度低（1。44g/cm），拉伸强度高（22760/Nmm），在-70℃~+180℃温度下性能无多大损失，抗腐蚀性好[11]。同尼龙、聚酚和玻璃纤维等相比，它在重量轻一半的情况下，可得到相同的防弹能力。反之，在某一给定重量下，它提供的防弹能力是其它纤维的2/3倍，钢的5倍左右。Kevlar纤维板可用来制造各种刚性装甲，以取代钢、铝或玻璃纤维装甲，其主要优点是可大大减轻重量，制成复合板后，则能很好地经受多次重复冲击。Kevlar纤维各层浸渍30%聚脂、乙烯基或酚酞塑树脂，不影响其固有性能。它的复合板可代替玻璃钢或铝作导弹发射架等结构装甲；通常含9~20%树脂的纤维层板用作附加装甲，放置在现有钢或铝装甲板的后面[12]。3.2芳纶纤维和超高分子量聚乙烯目前，市场上通用的防弹复合材料按照材质种类不同，可分为芳族聚酰胺（芳纶）纤维UD复合材料和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维UD复合材料。其中芳纶纤维的比强度和比模量是钢铁的10倍，而超高分子量聚乙烯纤维的比强度又高出芳纶纤维1.5倍左右，两者均可广泛应用于国防军需装备和特殊民用品领域。而UHMWPEUD复合材料因为其抗冲击韧性好，比冲击吸收能量是目前复合材料中最高的，被广泛用于防弹衣、防弹插板和防弹装甲中。据统计，美国超高分子量聚乙烯纤维70%用于防弹衣、防弹头盔、防弹装甲及航空航天等领域。高性能纤维的发展已经成为一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。3.3PBO纤维（聚对苯撑苯并二恶唑）PBO纤维具有高强、高模量、耐热、阻燃等特性，其强力、模量为Kevlar纤维的两倍。PBO纤维的极限氧指数为68，在有机纤维中，它的阻燃性最高。PBO纤维柔软性良好，织成的织物柔软性近似于涤纶纤维织物，利于纺织编织加工。PBO纤维的抗老化性能、耐热性和耐燃烧性都比芳纶好，而且它的耐冲击性比芳纶、碳纤维要高很多。因此PBO纤维将有可能被用于防弹复合领域。由于其优良的性能，别誉为“高科技纤维之王”，但已有报道，应用其做的防弹服在日晒40小时以后强度仅保持了原来的30%，因此其在防护装备中的应用还有待商榷和研究[13]。3.4高能纤维的防弹机理单根纤维或束丝并不能起到防弹的作用，只有将纤维按一定的规律排列整合起来