纖維增強復(fù)合材料防彈頭盔殼體的設(shè)計研究

摘要防彈頭盔作為頭部防護的重要設(shè)施，在戰(zhàn)爭環(huán)境中，頭部中樞神經(jīng)是戰(zhàn)斗人員的安全基礎(chǔ)，可見防彈頭盔設(shè)施研發(fā)的重要性?；诖耍恼赂鶕?jù)纖維增強復(fù)合材料的防護原理，從材料、纖維增強組織、制作工藝三部分入手，對纖維增強復(fù)合材料防彈頭盔殼體的設(shè)計制造進行研究。頭盔作為軍事活動、野外作業(yè)的重要設(shè)備，對人體頭部具有多維防護效用，以降低傷害。受限于不同的應(yīng)用場景，頭盔發(fā)揮的作用具有差異。例如，在戰(zhàn)爭中，頭部是人的中樞系統(tǒng)，一旦受到攻擊，將對戰(zhàn)斗人員造成致命的傷害。在以往冷兵器時代、現(xiàn)代戰(zhàn)爭時代，頭盔在戰(zhàn)場上的重要性不言而喻。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，大部分脫離冷兵器戰(zhàn)斗方法，采用各式?jīng)_鋒槍、步槍等已經(jīng)成為壓制敵人、阻止敵人進攻的重要手段。在瞬息萬變的戰(zhàn)場中，如果人們頭部受到攻擊，將大概率造成傷亡問題，特別是在槍械類型、沖擊效果不斷優(yōu)化的背景下，對戰(zhàn)斗人員造成的損傷相對較高。對此，應(yīng)加強對防彈頭盔的研發(fā)，強化頭盔的防護性能，滿足輕量化的行軍及戰(zhàn)斗訴求。基于此，文章主要針對防彈頭盔殼體進行深入探討，以供參考。1纖維增強復(fù)合材料的防護原理殼體作為頭盔防護的基礎(chǔ)，基于主體防護功能與人員生命安全之間的關(guān)系，對技術(shù)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料等提出更高的要求。隨著新技術(shù)、新材料的不斷研發(fā)，為兼顧戰(zhàn)斗輕量型與防護型特點，防彈頭盔殼體材料從初始的金屬材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚姸鹊睦w維復(fù)合材料，以提高殼體的基礎(chǔ)密度，增強抗沖擊性。1.1子彈沖擊力量衰減戰(zhàn)場上瞬息多變的環(huán)境令戰(zhàn)斗人員面臨加大風(fēng)險，如果子彈到達頭部，會增加人員傷亡概率。纖維增強復(fù)合材料防彈頭盔可對子彈的高強度沖擊力起到對抗作用，對戰(zhàn)斗人員頭部進行防護。當子彈射擊到頭盔殼體時，受到結(jié)構(gòu)性阻礙，彈道及沖擊力將發(fā)生變化，此時力量衰減、子彈路徑發(fā)生改變，避免人體受到傷害。從攻擊原理角度看，子彈高速運動產(chǎn)生的沖擊能量與速度成正比，但子彈射擊到頭盔殼體時，強大的沖擊能量作用到頭盔殼體的纖維復(fù)合材料中，將產(chǎn)生應(yīng)變能、熱能、摩擦等。當復(fù)合材料受到?jīng)_擊時，將吸納子彈產(chǎn)生的動能，當吸收能量超出復(fù)合材料的承載能力時，復(fù)合材料的脆性結(jié)構(gòu)將被破壞（此過程材料結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服），頭盔殼體外部損傷的表象特征為纖維結(jié)構(gòu)割裂、組織破損。頭盔殼體與防彈衣的防彈結(jié)構(gòu)相比，在受到子彈單點沖擊時，強大的入侵力道對射入路徑方向產(chǎn)生破壞，但是由于復(fù)合材料纖維的組織只會產(chǎn)生局部變形，表面的破損面積相對較小。同時，頭盔殼體的復(fù)合材料分層結(jié)構(gòu)將使材料結(jié)構(gòu)在彈道沖擊下產(chǎn)生錐形受力，加大材料內(nèi)部的受損面。子彈沖擊波在纖維復(fù)合材料中的力學(xué)傳遞情況如圖1所示。高速運動的子彈射到復(fù)合材料表面，將對材料表面形成初始壓縮波，并以橫波、縱波的形式在材料內(nèi)部進行傳導(dǎo)，此時，材料結(jié)構(gòu)對能量波起到阻隔效果，通過纖維組織、復(fù)合材料間隙等形成拉伸應(yīng)變，對沖擊力進行對沖，令子彈沖擊力在運行路徑下產(chǎn)生逐步衰減的效果。同時，纖維復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力變化可通過材料結(jié)構(gòu)起到傳遞作用，將作用力均勻分散到周邊組織結(jié)構(gòu)中，避免出現(xiàn)貫穿損傷。1.2子彈沖擊對頭部造成影響當前，子彈沖擊對人頭部造成的損傷大體可分為貫穿式、非貫穿式損傷兩種。其中，貫穿式損傷是指子彈的強大沖擊力貫穿頭盔殼體的復(fù)合材料組織，直接作用到人們頭部位置，產(chǎn)生頭骨破損、撕裂等問題，特別是在穿透力較強的大口徑狙擊步槍射擊中，可能對頭盔及頭部產(chǎn)生整體貫穿。非貫穿式傷害主要是指子彈沖擊力未對復(fù)合材料造成穿透性傷害，致使外部材料產(chǎn)生形變及空間位移的現(xiàn)象，對人們頭部起到防護作用。文章主要研究子彈對防彈頭盔殼體造成的非貫穿式損傷。當人的頭部受到子彈沖擊時，受到運動狀態(tài)的干預(yù)，當子彈接觸到防彈頭盔殼體時，并不是以垂直路徑為切入點，而是在頭部空間移動產(chǎn)生的加速度對攻擊路徑產(chǎn)生干預(yù)，但是強大的沖擊力也會對頭部產(chǎn)生沖擊波的影響，即在子彈不貫穿的前提下，沖擊波將對人的頭部造成持續(xù)性損傷。在外部巨大的沖擊下，人們脆弱的頸部可能出現(xiàn)骨折問題。針對防彈頭盔殼體的防護性能而言，非貫穿沖擊是對戰(zhàn)斗人員造成的最低傷害，但是考慮到人們腦部及頸部受到的沖擊影響，應(yīng)對人體承受極限值進行分析，全面映射頭部、頸部的損傷點。在此過程中，頭部損傷準則是常見的評判標準，對頭部加速度產(chǎn)生的力學(xué)干預(yù)進行線性運算，測評出腦部損傷可能產(chǎn)生的損害系數(shù)。例如，歐美國家對戰(zhàn)斗人員頭部承受值所設(shè)定的標準為頭部PLA小于300g，且在12min內(nèi)連續(xù)受力時，不得大于150g。2纖維增強復(fù)合材料防彈頭盔殼體的設(shè)計防彈頭盔殼體具有較強的結(jié)構(gòu)性能，在設(shè)計制造時，應(yīng)綜合界定不同應(yīng)用場景、結(jié)構(gòu)受力應(yīng)急變化之間的關(guān)系，結(jié)合受力參數(shù)及材料貫穿臨界值，保證材料選定、技術(shù)工藝選定的合理性。2.1材料設(shè)計目前，纖維復(fù)合材料有多種類型，其在抵抗外力沖擊下的各項系數(shù)存在差異，具體性能如表1所示。從材料角度進行分析，不同材料組成的抵抗系數(shù)存在差異，但是從材料逐步優(yōu)化的角度來講，不同類別的數(shù)據(jù)分析及界定是保證材料最終結(jié)構(gòu)確定的關(guān)鍵。對此，選取基礎(chǔ)材料時，應(yīng)從不同性能方面界定材料的使用點，細化運用原則，提高防彈頭盔殼體的具體防護性能。2.1.1芳綸材料的選用在實際使用過程中，對位芳綸纖維復(fù)合材料的內(nèi)部分子基鏈結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，聚合能力相對較高，增加了纖維的結(jié)構(gòu)組織性。從基礎(chǔ)強度值來看，對位芳綸的強度高于鋼絲的5～6倍，且重量遠低于鋼絲，整體來講，防護性能相對較高。但是其也存在一定的缺陷，即在紫外線長時間照射下，力學(xué)結(jié)構(gòu)性能下降，間接降低頭盔的防彈性能。特別是在長時間的野外戰(zhàn)斗模式下，太陽光的強烈照射必然加大安全隱患，故不適用于防彈頭盔的制作。2.1.2聚乙烯材料的選用此類材料在具體應(yīng)用過程中，內(nèi)部UHM分析具有高強度的交互性能，其結(jié)晶率最高可達到86%，強度高于鋼絲的8～10倍，密度略低于水，在結(jié)構(gòu)組成及安全防護方面具有輕量性的優(yōu)勢。但是此類材料在實際應(yīng)用過程中，熔點只有160℃，而高速運行子彈在接觸到防彈頭盔殼體時產(chǎn)生的摩擦力達到的瞬時溫度值可能達到200℃，此時由溫度誘發(fā)的結(jié)構(gòu)組織裂變問題，將會造成基礎(chǔ)防護性能失效。選擇此類材料時，由于防彈頭盔殼體屬于分層結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)之間的契合性及物理屬性存在差異，為了增強系統(tǒng)的基礎(chǔ)防護效果，可根據(jù)不同屬性組合運用材料。國外研究學(xué)者將碳纖維作為殼體外表面，將對位芳綸作為內(nèi)表面，二者在受力作用下，不同結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的抵抗特性可形成互補，有效解決對沖問題。同時，也可進一步實現(xiàn)輕量化的設(shè)定。在后期復(fù)合材料的不斷研發(fā)下，基礎(chǔ)性能也將隨之提升，這對于結(jié)構(gòu)防護屬性而言，則呈現(xiàn)持續(xù)更新屬性，需要科研學(xué)者大力研發(fā)，為社會發(fā)展提供有效助力。2.2纖維增強組織從現(xiàn)有的復(fù)合材料組成結(jié)構(gòu)看，分層、交互的形式加大組織結(jié)構(gòu)之間的承載力，為進一步強化基礎(chǔ)穩(wěn)固能力，應(yīng)從防彈頭盔殼體的不同受力因素及保護因素為出發(fā)點，增強基礎(chǔ)防護效能，只有這樣才可保證防護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.2.1UD結(jié)構(gòu)此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是可保證高性能纖維的完整性，這樣在受到外力沖擊時，可通過一體組織結(jié)構(gòu)增強殼體的抗沖擊性。例如，在彈道極限測量時，全纖維結(jié)構(gòu)與其他分散結(jié)構(gòu)相比，沖擊抗性高出12.6%。同時，多層架構(gòu)的UD在組合時形成的板材結(jié)構(gòu)具有高強度屬性，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性使其在具體驅(qū)動過程中增加內(nèi)部纖維材料的抗彎曲強度，如此一來，可對外部彈道的射擊路徑進行微調(diào)，提高防彈頭盔殼體的基礎(chǔ)防護能力。2.2.2常規(guī)結(jié)構(gòu)防彈頭盔殼體常規(guī)的編排結(jié)構(gòu)以二維平面設(shè)定為主，通過橫向與縱向的垂直編排，提高材料的組合密度，其中，纖維材料的密度與間距決定防彈材料的結(jié)構(gòu)抗性。此外，也可采用斜紋、緞紋的形式提高二維編織的穩(wěn)定性，增強力學(xué)效果。由二維常規(guī)編制衍生出的三維編織形式也可看成常規(guī)結(jié)構(gòu)的一種，其將經(jīng)緯線作為交互編制的立體結(jié)構(gòu)，然后在不同結(jié)構(gòu)組成下調(diào)整材料編織厚度，這樣一來，可將材料組織從三個維度同步開展而來。此類編織方法可極大地增強層級結(jié)構(gòu)之間的鏈接性，充分凸顯其抵抗性能。此外，頭盔殼體的曲面形態(tài)也可對子彈的射擊路徑起到調(diào)節(jié)作用，再加上頭部運動產(chǎn)生的加速度，可改變頭盔殼體局部的受力方向，增強基礎(chǔ)防護效果。2.3曲面制作工藝2.3.1手糊壓模法此類方法是在模具與復(fù)合材料之間添設(shè)脫模劑、樹脂，最后填壓尺寸合適的纖維復(fù)合材料，并進行整體擠壓浸膠處理，反復(fù)擠壓，提高層間的黏合力，最后放入模具中進行整體塑形，得到成品。此類加工方法具有高精度、高效率的優(yōu)勢，但是僅適用于小型產(chǎn)品的生產(chǎn)制作，大型產(chǎn)品生產(chǎn)中極易產(chǎn)生壓實不牢靠的問題，降低產(chǎn)品的穩(wěn)定性。2.3.2纏繞法此類方法以干式、濕式、半干式纏繞為主，將復(fù)合材料控制在一定張力下，在高速運行的模芯上進行均勻纏繞，最后固化脫模。此類工藝方法可以增強纖維的結(jié)構(gòu)連貫性，且節(jié)省材料。但是在制作完畢以后，需要去除模芯，故此，不