 弹道防护用UHMWPE（超高分子量聚乙烯）纤维增强树脂基复合材料是以UHMWPE纤维为增强纤维材料，以单向正交结构为增强体结构，热塑性树脂为基体，通过铺展、复合和热压工艺制备的一种新型防护材料。其以优异的抗冲击性能和吸能特性而逐渐取代芳纶纤维织物及芳纶纤维复合材料在防弹领域的主导地位，成为轻质防弹复合材料的首选材料，推动弹道防护材料及装具向轻质、高强的方向发展。 弹丸侵彻UHMWPE层压板可以近似为一个瞬时动态事件，其通常在50~200微秒内完成。虽然可以借助高速摄影等技术拍摄弹丸侵彻过程中层压板整体结构形变的演变过程，但复合材料的非透明性决定了其内部材料与弹丸的相互作用过程几乎不可能被有效记录。因而，目前主要通过观察弹道侵彻后复合材料宏观尺度的表面形貌或断口形貌，分析复合材料在弹道侵彻作用下的损伤模式，对弹道侵彻过程及过程中层压板内部的损伤演化过程尚不清晰。 2022年7月，天津工业大学纺织科学与工程学院-复合材料研究院团队和北京普诺泰新材料科技有限公司合作，以何业茂为第一作者，焦亚男为通讯作者，在《International Journal of Impact Engineering》在线发表了题为《Ballistic response of ultra-high molecular weight polyethylene laminate impacted by mild steel core projectiles》的研究文章。文章采用7.62mm×39mm软钢芯弹配备AK-47步枪以720±10m/s侵彻UHMWPE层压板，研究层间界面性能对防弹性能影响，并以此为切入点，通过ICT观察弹道侵彻UHMWPE层压板的内部损伤形貌，结合多尺度-多层面的内部损伤形貌，详细讨论了弹道侵彻过程及层压板的内部损伤演化过程。此外，基于弹道侵彻损伤模式，建立了UHMWPE层压板吸能评估模型，用于分析弹道侵彻过程中弹丸动能的耗散机制。
2.1 层间剪切强度对防弹性能影响
研究结果表明层间剪切强度的降低会导致UHMWPE层压板抗弹道侵彻性能下降，这主要是由于层间剪切强度的降低会弱化弹道侵彻过程中诱导UHMWPE纤维/树脂基复合材料层压板拉伸变形耗能的防护机制，包括间接张力机制和膜力效应。 2.2 弹道侵彻损伤模式 基于ICT获得弹道侵彻后UHMWPE层压板在弹着点处沿纤维轴向的横截面损伤形貌，结合弹道侵彻后UHMWPE层压板在弹着点处多尺度-多层面的损伤形貌，可以看到： （1）在7.62mm×39mm软钢芯制式弹以弹速720±10m/s侵彻作用下，UHMWPE层压板在厚度方向上的损伤形貌可以分为三个部分，即第I、II、III部分； （2）第I阶段的子层压板主要表现为剪切冲塞，此阶段的子层压板由于冲击催化原因而被脆性剪切破坏，且由于层压板内部材料空间位置限制，防弹面表面向外凸起； （3）第II部分的子层压板以多层面的分层破坏为主，并且在弹孔周边还包括拉伸、剪切、熔融等耦合破坏； （4）第III部分子层压板的主要损伤模式子层压板的拉伸变形和背面表层的拉伸断裂破坏，这部分承受的拉伸应力主要来自于法向压缩诱导的间接张力机制以及面外弯曲大变形导致的膜力效应； （5）层间剪切强度的降低导致层压板内部出现更为严重的分层破坏。
2.3 层压板的渐进响应过程 在7.62mm×39mm软钢芯制式弹以弹速720±10m/s侵彻作用下，UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板的渐进损伤过程分为四个阶段，即a、b、c、d阶段。a阶段主要是第I部分子层压板的脆性剪切破坏过程；b阶段主要是第II部分子层压板的先剪切后加速运动过程并被绝热剪切破坏，同时伴有第III部分子层压板的持续加速运动过程并被拉伸变形；c阶段主要是第III部分子层压板和弹丸一起做减速运动的过程，并持续被拉伸变形；d阶段主要是第III部分子层压板的弹回回弹过程。
2.4 能量吸收评估模型 如前面所述，在软钢芯弹的侵彻作用下，UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板的非贯穿渐进损伤过程包含四个子阶段，并且在c阶段的结束时弹丸动能耗散殆尽。从而获得弹道侵彻过程中层压板的能量吸收模式及其在层压板厚度尺度和时间维度上的分布。
基于能量守恒定理及相关简化假设，建立UHMWPE层压板在弹道侵彻过程中的能量吸收评估模型，用于分析弹道侵彻过程中的弹丸动能耗散机制。结果表明：在非贯穿状态下，UHMWPE层压板通过剪切、II型分层和拉伸变形吸收的能量约占弹丸动能的90.15%，其中拉伸变形吸收能量占动能的56.21%，其是弹丸动能耗散的主要模式。
（1）层间剪切强度降低会导致UHMWPE层压板抗弹道侵彻性能下降； （2）在7.62mm×39mm软钢芯制式弹以弹速720±10m/s侵彻作用下， UHMWPE层压板内部损伤在厚度方向上可分为三个区域，即第I、II、III部分。第I部分子层压板以脆性剪切破坏为主；第II部分子层压板以多层面分层破坏为主，并在弹孔内表面处伴有拉伸、剪切、熔融的耦合破坏模式；第III部分子层压板以拉伸变形为主； （3）弹道侵彻过程中UHMWPE层压板的面内拉伸变形是其耗散弹丸动能的主要防护机制。 原始文献： Yemao He, Yanan Jiao, Johnny Qing Zhou, Hongshuai Lei, Nan Jia, Li Chen, Diantang Zhang, Ballistic response of ultra-high molecular weight polyethylene laminate impacted by mild steel core projectiles, International Journal of Impact Engineering, Volume 169, 2022, 104338, https:///10.1016/j.ijimpeng.2022.104338. 原文链接： https://www./science/article/abs/pii/S0734743X22001816 |
|
|
