艾青松，李宗家，吳中偉，姜聯(lián)東，虎龍

(1.北京航天雷特機(jī)電工程有限公司，北京7205信箱1分箱，北京 100074 2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京7205信箱，北京 100074)

0 引言

芳綸全稱(chēng)為“聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺”，英文名稱(chēng)為Aramid fiber，與碳纖維、高分子量聚乙烯纖維并稱(chēng)為三大特種纖維[1]。芳綸的發(fā)展，極大地促進(jìn)了防彈材料的發(fā)展[2]。

目前，國(guó)際認(rèn)可度較高的防彈標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)司法部的NIJ 0101.06防彈衣標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，客戶(hù)需求最多的是NIJ 0101.06中的ⅢA級(jí)別的防彈衣。該防護(hù)級(jí)別的防護(hù)要求：防御9 mm全金屬披甲圓頭彈，彈重8.0 g，沖擊速度為(448±9.1)m/s；可防御44馬格南半披甲中空尖頭彈，彈重15.6 g，沖擊彈速為(436±9.1)m/s。兩者凹陷均要求小于44 mm。全金屬披甲彈是指除彈基座之外，其他部分由銅合金(大約90%銅，10%鋅)包圍的鉛芯組成。半披甲中空尖頭彈由鉛芯等組成，鉛芯在子彈的前端有一個(gè)中空孔洞；除中空尖頭外，子彈完全被銅合金包覆。

本文通過(guò)織造芳綸無(wú)緯布并與不同型號(hào)的芳綸機(jī)織布[3]進(jìn)行組合，通過(guò)實(shí)彈測(cè)試[4]和柔軟度測(cè)試，以研究在滿(mǎn)足NIJ ⅢA測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提升防彈衣的穿著舒適性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

制備芳綸防彈板的原材料見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用原材料

1.2 樣品制備

芳綸無(wú)緯布由片狀無(wú)緯布生產(chǎn)設(shè)備，即輥筒機(jī)織造而成。其生產(chǎn)工藝為特種膠粘劑放置于上膠裝置中，芳綸經(jīng)過(guò)上膠裝置纏繞在旋轉(zhuǎn)的輥筒上，絲杠平行于輥筒勻速移動(dòng)，將纖維均勻排布在輥筒上，再經(jīng)過(guò)展絲裝置將絲展開(kāi)，熱風(fēng)裝置進(jìn)行干燥，即可得到單層無(wú)緯布。將單層無(wú)緯布沿輥筒母線(xiàn)切下，旋轉(zhuǎn)90°再貼在輥筒上，重復(fù)以上步驟即可得到最終的芳綸無(wú)緯布。最終生產(chǎn)的芳綸無(wú)緯布面密度為210 g/m2。

1.3 柔軟度測(cè)試

自制的柔軟度測(cè)試裝置如圖1所示，斜面與地面夾角為45 °。測(cè)試時(shí)，防彈靶片放在平面上勻速向外推，觀察防彈靶片能否與斜面貼合。

圖1 柔軟度測(cè)試裝置圖

1.4 實(shí)彈性能測(cè)試

實(shí)彈測(cè)試中，部分靶片按照公安部標(biāo)準(zhǔn)《GA 141—2010警用防彈衣》中三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試[6]，即51式7.62 mm手槍彈(鉛芯)，彈速為(515±10)m/s，射距為5 m。

部分靶片按照美國(guó)司法部的NIJ 0101.06防彈衣標(biāo)準(zhǔn)中的ⅢA級(jí)別進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸機(jī)織布優(yōu)選

日人帝人公司提供的芳綸機(jī)織布有四種，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

CT709為200 g/m2的防彈織物，可生產(chǎn)無(wú)縫防彈服裝，防彈保護(hù)性高，穿著舒適，活動(dòng)自如。CT714為190 g/m2的防彈織物，基于超細(xì)芳綸的防彈織物，有卓越的破片防護(hù)，能夠很好地防護(hù)特定類(lèi)型的子彈。CT716為280 g/m2的防彈織物，基于高強(qiáng)度紗的防彈織物，可有效抵御鈍物傷害。CT736為410 g/m2的防彈織物，具有良好的加工性能，可用于生產(chǎn)現(xiàn)代工藝的防彈頭盔。

表2 芳綸機(jī)織布種類(lèi)

因CT716與CT736面密度過(guò)高，相同層數(shù)下會(huì)影響整體的靶片面密度，而CT709與CT714面密度均與車(chē)間生產(chǎn)的無(wú)緯布及雙防布面密度相同。因此，優(yōu)選CT709與CT714作為組合靶片結(jié)構(gòu)的機(jī)織布。其對(duì)比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 CT709與CT714組合靶片測(cè)試對(duì)比表(79微沖)

由表3可知，5層(CT714)+30層芳綸無(wú)緯布測(cè)試數(shù)據(jù)平均穿透層數(shù)為15.2層，平均凹陷為19.6 mm；而同樣的結(jié)構(gòu)，機(jī)織布由CT714換成CT709后，平均穿透層數(shù)變?yōu)?5.5層，基本未發(fā)生變化，而平均凹陷由19.6 mm降為16.6 mm。這說(shuō)明在控制凹陷方面，CT709相對(duì)CT714優(yōu)勢(shì)較大。

2.2 芳綸機(jī)織布放置不同位置

將芳綸機(jī)織布放置不同位置組合的靶片，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 機(jī)織布不同位置測(cè)試數(shù)據(jù)(79微沖)

由表4可知，機(jī)織布放在中間的平均穿透層數(shù)15.8層和平均凹陷17.5 mm均大于機(jī)織布放在前面的數(shù)據(jù)。因此，在拼合結(jié)構(gòu)中采用機(jī)織布放在前面的方案。

2.3 最終方案確定

通過(guò)上述討論，確定了最優(yōu)的機(jī)織布CT709放在靶片最前面的組合方案。接下來(lái)根據(jù)不同測(cè)試方案數(shù)據(jù)(表5)，對(duì)最終的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行確定。

表5 不同測(cè)試方案數(shù)據(jù)(NIJ ⅢA)

圖2 檢測(cè)報(bào)告

由表5可知，靶片結(jié)構(gòu)為4層CT709+21層芳綸無(wú)緯布時(shí)，進(jìn)行9 mm的防彈測(cè)試時(shí)，平均穿透層數(shù)為6.5層，平均凹陷為18.72 mm，安全裕度較高。在進(jìn)行.44項(xiàng)目的測(cè)試時(shí)，最大凹陷僅為34.5 mm，控制在40 mm之內(nèi)，平均凹陷為28.01 mm。究其原因，在于雖然靶片在防彈時(shí)作為一個(gè)整體共同防護(hù)，但在子彈接觸靶片的瞬間，靶片的前、后部分受到的沖擊是不同的[7]。因此靶片應(yīng)該設(shè)計(jì)成梯度結(jié)構(gòu)，即靶片最先接觸到子彈的前半部分相對(duì)于后半部分應(yīng)該容易變形一些，而靶片的后半部分應(yīng)該難變形一些。最終的靶片結(jié)構(gòu)正好設(shè)計(jì)的是梯度結(jié)構(gòu)，即前半部分的形變要易于后半部分，最終靶片整體產(chǎn)生了“共形變”，最終控制住了凹陷[8]。圖2為在兵器工業(yè)非金屬材料理化檢測(cè)中心取得的檢測(cè)報(bào)告。

2.4 柔軟度測(cè)定

對(duì)靶片進(jìn)行如圖3所示的柔軟度測(cè)試。防彈靶片在測(cè)試過(guò)程中，沿著平板往外推至2/3處，若能貼合至下斜面上，則表明滿(mǎn)足柔軟度的要求。

圖3 柔軟度測(cè)試圖

3 總結(jié)

(1)采用不同芳綸機(jī)織布組合無(wú)緯布實(shí)彈打靶測(cè)試結(jié)果表明，在控制凹陷方面，CT709相對(duì)CT714優(yōu)勢(shì)較大。

(2)通過(guò)芳綸機(jī)織布放置在不同位置進(jìn)行實(shí)彈打靶測(cè)試結(jié)果表明，芳綸機(jī)織布放置在最前面，防彈效果優(yōu)于放置在中間的方案。

(3)最終確定了4層CT709+21層防彈芳綸無(wú)緯布的防彈結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)能抵御NIJ0101.06中ⅢA級(jí)別子彈的沖擊，且能通過(guò)柔軟度測(cè)試，面密度僅為5.2 kg/m2。