超高分子量聚乙烯纤维复合材料在防弹领域的应用.doc

超高分子量聚乙烯纤维复合材料在防弹领域的应用李楠，韩辉，李军中国兵器工业集团第二。一研究所，北京100072摘要超高分子量聚乙烯纤维复合材料是一种性能优异的防弹复合材料。本文着重 介绍了国内超高分子量聚乙烯纤维复合材料在防弹领域的应用现状；并对超高分子量聚乙烯 纤维复合材料在防弹领域的应用发展趋势进行了探讨。关键词超高分子量聚乙烯纤维复合材料0引言近年来，随着科学技术的突飞猛进和化学工业的发展，工程技术对特种纤维的需求在不断地增加，对纤 维增强复合材料的研究也十分活跃。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维就是在这种形势下发展起来的当 今世界三大高科技纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维)之一。1UHMWPE纤维的基本特性11高强、高模、低密度、高能量吸收特性UHMWPE纤维由于相对分子质量极高(1×106-6×106)，主链结合强度高，再an_l=其高度的结晶取向， 因此它具有很高的强度和模量。又因其密度小于1 gcm3，所以它的比拉伸模量是芳纶的45倍。同时，其 挠曲寿命优于芳纶，断裂伸长率为36，大于芳纶，这一特征使它具有较强的抗冲击性和能量吸收能力，但 同时也使纤维的蠕变效应较大，影响织物整体的尺寸稳定性。12其他特性在化学性质方面。由于UHMWPE纤维具有高结晶度和取向度，分子链排列得很紧密，从而有效地阻止 了化学试剂的侵蚀，其耐化学试剂的能力优于芳纶，水对UHMWPE纤维几乎没有影响，耐光性极佳。UHMWPE纤维耐热性低，其最高应用温度不超过120。另外，由于UHMWPE纤维表面具有惰性、非 极性、湿润性差等特点，因此在以UHMWPE纤维为增强纤维的复合材料中，纤维与基体的界面粘接强度较 低。这一缺陷直接导致该种复合材料受层间剪切、横向拉伸等作用时容易出现分层现象，从而极大地降低了 材料的强度。 总而言之，UHMWPE纤维具有高强度、高模量、高能量吸收特性、耐化学性、耐侯性与防水性等优异功能，目前在军用防弹领域主要应用于个人装甲防护(防弹衣和防弹头盔)以及坦克装甲车辆、军用舰船和武 装直升机装甲防护。2 国内外主要公司的生产现状1979年，荷兰的DSM公司首先采用凝胶纺丝法试制成功具有优异性能的UHMWPE纤维，并申请了专 利，这种纤维的商业化生产开始于1990年，商品名为“Dyneema”。1985年，美国联合信号公司(Allied Sig- nal)购买了DSM公司的专利，随后又开发了自己的专利。1995年开发成功商品名为“Spectra”的UHMWPE1311纤维。它们是目前应用于防弹材料的最成熟的UHMWPE纤维。 DSM公司是目前UHMWPE纤维生产规模最大的公司，该公司共有7条UHMWPE纤维生产线，其中有5条位于荷兰的Heerlen，2条位于美国北卡罗来纳州的Greenville，年产UHMWPE纤维4 500t，另外还有4条 UHMWPE纤维防弹无纬布(UD)线，其中荷兰2条，美国2条，总的生产能力为2 000 ta。目前国内具有生产能力的3家企业为：宁波大成新材料股份有限公司、北京同益中特种纤维技术开发有 限公司、湖南中泰特种装备有限责任公司。这3家公司均能生产UHMWPE纤维、UHMWPE纤维防弹无纬布 和UHMWPE纤维防弹板。3 国内UHMWPE纤维增强复合材料在轻型装甲车辆上的应用现状31应用背景轻型装甲车辆是装甲机械化兵种的基本作战武器，也是现代化陆、海、空联合作战的通用作战武器平台。 它们的特点是作战机动灵活，空投、运输、渡海、抢滩和陆上突击时显示出高速应变能力，它们都能乘载战斗 人员，采用轻型装甲防护，又有一定的火力配备。轻型装甲车辆在进行装甲防护设计时，在装甲结构刚强度 允许的条件下，尽量减薄基体装甲的厚度，在车体外附加披挂装甲，这样可以充分发挥披挂装甲的抗弹效应， 并使总体防护质量大大减轻，这也是装甲防护设计减重的有效技术途径。UHMWPE纤维增强复合材料由于 密度低、抗弹能力强，所以比较适合作为轻型装甲车辆的披挂装甲材料。32防弹性能评价1999年至今，我们先后结合具体的项目选用了国内与国外生产的UHMWPE纤维纤维增强复合材料进 行了多次试验。从试验的结果看，国外的UHMWPE纤维防弹板的防护效果明显好于国内的防弹板，但价格 较高；而国内的UHMWPE纤维纤维防弹板的防护性能一般，且出现了分层现象，但价格较低。33防弹性能差异分析概括来说，影响UHMWPE纤维复合材料抗弹性能的因素除了UHMWPE纤维本身的性能外，还有以下2 个影响因素：纤维的表面处理与复合材料基体的选择。331纤维的表面处理 UHMWPE纤维自身固有的结构使其存在以下不足之处：耐热性低，应力作用下容易产生蠕变，纤维与基体的界面粘接强度较低。针对上述的问题，采用化学改性与物理改性的方法，可以改善UHMWPE纤维的浸润性、力学联结与化学粘接性。尽管如此，纤维表面处理往往会导致纤维强度性能的降低，因此采用新型高 性能基体和直接将原材料改性是今后的发展趋势。332复合材料基体的选择。由于UHMWPE纤维表面吸附力非常弱，因此适于与其复合粘接的基体并不多，对于UHMWPE纤维复 合材料，因其对力学性能要求并不苛刻，所以多选用热塑性基体，这样有利于纤维在保留原强度性能下，复合 成优异的高吸能复合材料。同时，由于基体是复合材料的较弱相，所以不希望基体含量过高，但是基体含量 也必须能使纤维构成整体并满足性能要求。因此，在保证纤维复合材料构成整体的前提下，一般基体的含量 应小于30(质量)，以26(质量)较为合适。4结束语由于UHMWPE纤维具有一系列优异性能，使其在许多领域都具有优异的开发与应用潜力，由此也更加 促进了UHMWPE纤维的开发与生产。目前，国内的3家企业已经实现了UHMWPE纤维的产业化生产，并 开发了下游产品，但现阶段应用还局限在防弹衣和防弹头盔，在坦克装甲车辆、军用舰船和武装直升机装甲 防护领域基本没有应用。针对这一实际情况，今后还应结合具体的应用方向，开展该材料的应用研究，只有·1312·这样，才能不断地促进该材料的推广应用，同时不断地改进材料的生产工艺，生产出性能更优异的UHMWPE 纤维复合材料。Analysis of the Using of Uhmwpe Fiber in Fiber-reinforcedComposite as Anti·bullet Material and Prediction of This TrendLi Nan，Han Hui，Li Jun(China North Vehicle Research Institute，Beijing100072)AbstractThe current situation of ultrahigh molecular weight polyethylene fiber used in fiber·reinforced composite as antibullet material is reviewedThe trend of this field is discussed tooKey words Ultrahish molecular weight polyethylene fiber Composite material·1313·