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防弹防爆纤维及复合材料多样化和复合化的发展趋势

2017-08-23 10:13:19
作者:罗益锋
来源:新材料社团

防弹(爆)复合材料最令人鼓舞的改进,莫过于实现更轻便、更薄和更强,有些改进还同时带来寿命的延长。目前主流的防弹用纤维还是对位芳酰胺纤维(p-ARF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF),除自身不断朝上述目标创新发展外,在总结以往战场上使用的效果基础上,今后的创新方向正朝多样化和复合化的方向发展。

    前言


    防弹(爆)复合材料最令人鼓舞的改进,莫过于实现更轻便、更薄和更强,有些改进还同时带来寿命的延长。目前主流的防弹用纤维还是对位芳酰胺纤维(p-ARF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF),除自身不断朝上述目标创新发展外,在总结以往战场上使用的效果基础上,今后的创新方向正朝多样化和复合化的方向发展。


    一些本不是防弹的纤维如碳纤维(CF)、高强聚酰亚胺纤维(PlMF)、聚芳酯纤维(LCPF)和超高模量聚丙烯纤维(Innegra),由于技术上的重大突破,参人了防弹纤维的行列。某些静电纺纳米纤维如氧化铝纤维、石墨烯和石墨稀纤维、碳纳米管和碳纳米管纤维,和上述防弾纤维复合使用,可提高其综合性能。


    1. 主要防弹纤维在历次主战场上应用效果对比及工艺改进


    无论是p-ARF(Kevlar、Twaron)还是UHMWPEF(Dyneema、Spectra)的复合材料,都已应用于军、警用的头盔、防弹衣和背心、盾牌、坦克、直升机、飞机和其他运输工具。


    美国陆军研究室武器和材料研究管理局局长办公室总工Steve TauIbee,调查了在趆战后期及1989年在巴拿马战场上,美国军队开始使用Kevlar増强热固型树脂头盔,以及最近釆用UHMWPEF复合材料头盔的情况。认为复合材料防弹头盔与原钢制头盔相比,性能提高了、质量减轻了、而且在极端条件下的耐腐蚀性提高了。UHMWPEF头盔(ECH)的防弹性比早期的KevIar任何头盔都高35%。为此美国军队目前正研究釆用UHMWPEF复合材料,进一步减轻新一代飞机的重量。例如选用HoneyweIl的Spectra ShieId,其机体胄甲可导致爆炸装置如手榴弹、子母弹和管式炸弹的弹片发生偏移,从而减少人员的伤亡。


    Spectra ShieId的第一代产品是1989年导入巿场的,现已应用于头盔、胸前板个人防护和软质防弹背心。与其他多数复合材料的独特之处是选用单向预浸带,所用树脂相应少,使纤维可在最佳条件下工作,并防范高速子弹的攻击而不受树脂的约束。阻止子弹的实际要素是纤维,因此应尽可能多提高纤维在复材中的含量和提供恰当的结构。树脂少的结构可使复材制作过程更精确操作,同时必须使纤维的结构形式能最佳应对子弹的打击,因此需増加许多歩骤。


    Honeywell根据不同的用途要选用不同的树脂,包括弹性体、聚氨脂、聚烯烃和乙烯脂类。头盔须釆用刚性树脂以保持形状,而防弹背心必须柔软而舒适,因此树脂须非刚性的,为此该公司的大多数研发,集中在探寻纤维与树脂、树脂体系和铺丝方式方面。


    目前防弾材料设计上面临的挑战与其他复合材料制造商类似,最终被使用的产品必须达到环境要求,包括操作温度、耐化学性、防火性、没有烟雾和毒气的逸出。还必须考虑到结构上的需求,例如复材防弹板如何能支撑其他辅助装备的重量?复材胄甲如何附加到此平台上?在板边连接处和角落如何避免防弹弱化?防弾复材必须提供来自广泛威胁的防护,防弹背心必须能使各种类型枪支的子弹偏移,而装甲车须能经受飞弹、路边炸弹和坦克发射的炮弹的袭击。各种威胁都与复合材料以不同方式起内反应,不同防弹复材提供不同的折衷方案,但对复材板而言现最大的挑战是须提供所需的韧性、防弹片和子弹防护而在遭子弹袭击时不发生层间剥离。


    对军用飞机而言,最大的压力是减重,美国Permali Gloucester公司釆用p-AF、玻纤和UHMWPEF为直升飞机提供防护,如CH-47印地安人和AW101灰脊隼。这些材料必须抗振和摔毁的负荷,并满足阻燃规定。该公司还艰巨地开发车辆防护地雷和爆炸物用的模压复材结构件,须有超出钢的正确复材解决方案,能抗更高的暴炸负荷、具有较低动态偏移,并显示优良的抗降解性。该公司在战车顶部用更坚固、更刚硬的复材取代钢制品,为装在车顶的远程武器站提供结实而又稳定的平台。该公司直到2000年代初,一直在扩大防弹复材的应用,主战坦克、装有胄甲的武装车辆及攻击性直升机都釆用防弹复材。


    当前全球面临来自恐佈组织的威胁,战场未很好确定,肩负着不对称的斗争,在后勤场所、巡逻车、运输直升机、甚至海军艦船,都要装配能防护爆炸装置和小股武装的火力攻击。


    2.防弹装备的创新方向与 创新技术的应用


    某些部队正在试验在士兵穿的防护装备中组合入多功能防弹材料,其中导电材料制的微型智能装备,有朝一日会监控士兵的心率或传递信息。如果你能将天线通信系统直接组合入复材防弹背心中,就会有更时髦的设计和更轻量化,减轻士兵的装备可免除士兵艰难完成目标和克服各种障碍带来的危险。该公司的另一研发方向是如何利用纳米技术进一步增强复材的防弹性能,其中一个目标是添加二维的石墨烯(GP),因为其平面厚度近乎原子级,研究人员可控制和驾驭其性能。该公司预测在较长时间内,GP所制的防弹材料可比钢強度高10倍,而质量轻10倍。


    美国ANF技术公司开发了氧化铝纳米纤维(AONF)分散至树脂体系的专利技术,商品名为Nafen,树脂包括环氧、聚氨酯和酚醛树脂。AONF不是釆用高能耗的静电纺丝技术生产的,而是在熔融铝表面上长出来的,因此不像纳米硅、CNT和某些纳米材料容易凝聚和难以分散。氧化铝具有很高的固有强度,是仅次于金刚石的最硬物质之一,复合入树脂中可改进其力学性能,而添加AONF可提高复材的层间剪切强度、弯曲韧性和抗冲击强度。这种复合材料当受击开始开裂时,由于冲击能在分子水平上就被十字形网格所吸收,因此可阻止裂纹漫延,正如纳米纤维的3-D网格混入该体系一样。


    Alchemie集团公司将Nafen混入环氧树脂中,并与其AuTx(商标)纱或纺织品结合起来制成胄甲复合材料。这样他们为美国国防部生产的作战背心,通过釆用AuTx而使防爆组合体的重量减轻27%,现进一歩用AuTx复合材料减轻军队头盔的质量。


    Purdue大学的测试确认AuTx具有2倍于p-ARF如Kevlar KM2和Twaron50f1000的韧性,含Nafen粒子的防弹复材样品,用V50子弹测试时,其性能比p-ARF防弹复材改善20-40%。AuTx比UHMWPEF如Dyneema贵,在一定温度下UHMWPEF层压品,可更好阻止某些子弹,但AuTx预成型体在-8℃~124℃具有极高的模量并保留韧性。这样就可能改变环氧树脂体系的树脂含量,使防弹陶瓷面复材的前方比后方可接受更多的树脂增强体,这对釆用UHMWPEF来说改变树脂是不可能的。


    3. 一些新型高强高模纤维将参入防弹防爆复材领域


    3.1 高强高模、高韧性聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)


    一般的碳纤维因断裂伸长率在0.5%~2.1%,属脆性材料,不能作防弹复材,须和其他防弹纤维复合使用才可达到取长补短的目的。


    日本NEDO和东京大学牵头组织三大日本PAN-CF厂家参与的创新碳纤维工艺技术计划中,不仅要把PAN原丝至PAN-CF的生产效率提高10倍,还要研制高伸长率(2.5%以上)PAN-CF。


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    图 1. 新型碳纤维


    东丽最近开发的Torayca T1100G(强度6.6GPa、模量324GPa、断裂伸长率2.2%)与环氧树脂3940制成的复材,因通过分子结构设计和控制固化反应,使架联结构的自由体积致密化,其预浸料的拉伸强度和抗冲击性提高30%,压缩强度和耐剥离性也大幅提高,是新一代航空航天材料。


    日本尼吉他公司开发了使用分散剂可把CNT一根根分散的“纳米分散技术”,并成功地将它附着于碳纤维表面上,其复合材料的界面剥离抑制性提高约30%,强度和抗冲击性进一步提高,并具有振动衰减性。可使结构部件轻量化和薄型化,应用于航空航天、汽车和建材等领域。


    另外,至少有3个国家正秘密研制超高强度、超高模量、高伸长率(2.5%~7.8%)PAN-CF及其复合材料,具有10倍以上强度和模量,因此其复材制的坦克和装甲车的防穿甲弹能力提高6倍。纺丝釆用全新工艺,PAN原丝生产效率是干喷-湿纺的近3倍,因此达到同样性能的产品,成本约为1\3,今后有望成为新的防弹纤维。


    3.2 高强高模聚酰亚胺纤维(PIMF)


    江苏先诺新材料科技有限公司的高强高模PIMF,已有30t\ a的产能,纤维强度高达3.5GPa,居世界领先水平。其3件核心技术已取得美国专利,吸水率只有1%,耐热性、耐紫外光和耐辐射性优于p-ARF,未来可望用于飞艇膜材料和防弹复材制品等。


    东华大学所开发的高强PIMF,小试纤维强度为4.2GPa,模量150GPa,断裂伸长率2.5-3.0%,居世界领先水平。


    日本I.S.I公司用独自的技术开发了高强PIMF,商品名“lMlDETECH”,强度2.7~3.0GPa,耐热性超过250℃,主要用于飞机发动机周边部件、高湿风道周围部件、耐热轮胎帘子布、耐高温滤袋、人造卫星和航天相关机器周边部件。


    3.3 液晶聚芳酯纤维(LCPL)


    日本可乐丽公司生产的“Vectran”LCPF,在质量与钢丝一样的情况下,强度约为其7倍,低吸水,耐磨性优,现产能1000t\ a,现开发了创新技术使热处理时间大为缩短,自2018年起将釆用新工艺导入新设备。用途有缆绳类、鱼网、陆网、体育用品、受灾区帐蓬。


    KB Celen公司是唯一生产细规格LCPF的厂家,纤维强度高达30cN\ dtex,模量高、尺寸稳定性优、介电常数和线膨胀系数小,产能约100t\ a,除上述用途外,产品适于作复合材料増强纤维包括防弹制品。


    东丽是新近才介入LCPF的产业化,而且是全球唯一实现由树脂到纤维生产一条龙的企业,商品名“西贝拉斯”。计划2018年投产,产品以船舶和海洋缆绳、渔网和面向养殖为中心的水产业,还有工业绳索、吊带、光缆补强件等张力用途,今后纤维增强复合材料等用途预期会增长。


    世界LCPF的年需求量约为700~900t,东丽现拥有数十吨的中试线,然后根据需求扩大至百吨级,2018年开始销售,同年销售目标为5亿日元,3年后的2021年预计增长至10亿日元。


    日本聚塑料公司原只生产LCP树脂,缩聚能力1.5万t\ a,属世界之最,最近开发了薄膜和纤维新产品,两者所需净树脂销量约占1成。


    我国现有数家企业正试产该纤维,年产能约数十至百吨级,今后要面临艰巨的产品稳定化和巿场开发任务,可与其他防弹纤维复合使用取长补短。


    3.4. 蜘蛛丝和人造蜘蛛丝(ASF)


    3. 4.1蜘蛛丝(SF)


    Kraig Biocraft实验室是全球SF的领先开发者,而且与美国军方签有合同,将大量用于防弾领域。第一批Dragon Silk(龙丝)茧的生产已完成,并卷至丝筒提供给Warwick公司。


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    图 2.天然蜘蛛丝


    该公司利用其龙丝技术,生产防弹爆破部件提供给美国军队,预期于2017年2季度完成最终供货。在印地亚纳工厂将逐步递增其独有的重新组合SF,并称作龙丝,目前他们已开始准备商业化生产,把两种产品“龙丝”和“怪物(Monster)”纤维,提供给首批用户。


    3.4.2人造蜘蛛丝(ASF)


    由西班牙、瑞典、中国和英国组成的国际研究团队,通过仿生SP纺丝技术,制备了公里级的ASF,并首先应用于人体组织工程和再生医疗。蜘蛛是由被称作spidrion的蛋白质进行吐丝的,研究人员是从两种不同批的spidroin中的仿生氨基酸,创制出水溶性的仿生蛋白质,这样研究人员就可釆用细菌大规模生产ASF。这第一个有效的仿生纺丝方法,是通过模仿蜘蛛所釆用的方法,在纤维纺丝套筒中降低pH值并进行拉伸。所设计的工艺过程,是靠多次模拟天然蜘蛛吐丝的复杂分子机理而达成的,这些ASF下步可用于防弹类产品。


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    图 3. 人造蜘蛛丝


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    图 4. SPI复材膜中的BCNF分布状态


    3. 5. 细菌纤维素纳米纤维(BCNF)


    美国康奈尔大学的研究人员发现,BCNF可増强新一代“绿色”纳米复合材料,取代目前不可降解的复合材料,并明显地减少碳排放。尽管BCNF的固有强度和刚性高,但它们趋向于形成无规和相互缠结的片材,因此在增强复合材料前须将纤维取向排列。釆用的方法是将含95%水和5%BCNF的水凝胶进行拉伸,然后浸渍入大豆蛋白离析(SPI)树脂中,干燥和热压固化膜状复合材料,在SPI基体中内含取向的BCNF。图4.示出场致发射扫描电镜的几种不同放大倍数的表面图像,分别是控制BC样品(a,c)和拉伸BC样品(b,d)。


    尽管取向远不理想,但复材的扬氏模量由0.9GPa提高至3.6GPa,破坏应力由25.3MPa增至66.3MPa。今后将进一步提高BCNF的取向度,使复材变得更强,并有望作为绿色纳米复材,应用于航天及交通运输领域。由于纤维直径只有约55nm,有望制成透明复材应用于汽车和飞机的轻量窗户或计算机、手机和其他电子设备的显示屏,其韧性好。


    4. 防弹防爆材料未来的新机遇


    由于全球恐怖分子和爆破手愈来愈猖狂,防弹纤维及复材的需求将迎来新机遇。


    美国南方州公司专生产防弹复材防护墙和屏障(Ballisti-Wall和Balisti-Cover),以协助防范和伪装公共设施、地下工事和其他关键设备和装备。


    PolyOne先进复合材料公司为该应用生产连续玻纤复材板(商标Glasform),他们还开发各种防弹产品,都可达到非常轻量而又有高防威胁水平。


    内饰设计是另一新市场,某些大使馆正寻求轻量而可移动的防弹板,一方面起房间隔板作用,另一方面起第一道防护屏障作用。人们现还用防弹复材制作简易箱、教室的书写板、甚至白板,在紧急情况下,白板可置于门或窗户边,来阻挡某些恐怖射击者试图向教室开枪。


    Buckeye Springs公司把防弹复材用于飓风多发地区作为耐久屏障,这在美国阿拉巴马和其他东南各州特别需要。飓风穹舱备有5x5英尺(2.33平米)面积的空间,可掩蔽6个人,6英尺高的结构有一半埋在地下,用5.44t凝土加固。轻量化对它很重要,釆用Kevlar(密度1.44g\ cm2)太重,最后选用超高模量PP纤维1nnegra(密度0.84g\ cm2)织物,具有良好防弹性能,疏水又不易吸湿。该公司做过试验,用SUV重物分別从20英尺和35英尺高空坠落至穹舱顶,由于Innegra可吸收冲击能,弯曲后将SUV弹出,并不造成破裂。


    我国“一带一路”战略的迅速实施,为我国防弹纤维及其制品走出国门,开辟了更广阔的空间。山东捍岭特种复合材料应用研究院有限公司正是在此背景下成立的,现其碳纤维等复材军警用抓捕和制服暴徒的20多种系列器材和装备,已应用于天安门广场的值勤人员,并准备向中东销售。

 

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    图5示出该院试生产的各种军警用器材和装备。图5.各种军警用先进复材系列装备和器材


    结束语


    防弹材料的多样化和复合化趋势,为用户提供了多样化的选择机会。部队和士兵装备的轻量化和进一步提高安全性,是永恒追求的目标,是智能化发展的基础。防弹纤维及其复合材料在军民两用领域的扩大应用,为规模化生产和降低成本创造了条件。目前美欧一些国防和重要公共建筑,开始使用防弹外墙板,校园安全也需要各种防弹制品,为防弹防爆材料的持续发展带来机遇。

 

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责任编辑:王元


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