1導(dǎo)讀

單兵防彈裝備是保障士兵生命安全的重要屏障，抵御子彈或破片侵徹并防止人體出現(xiàn)貫穿傷是對(duì)其性能評(píng)價(jià)的基本要求。但隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化，新一代的高性能單兵防彈裝備不僅要保障士兵的生存能力，也要在最大程度上保障作戰(zhàn)能力。防彈衣由防彈層和緩沖層組成，其性能包括防彈性能和防護(hù)性能。防彈層用于抵抗子彈侵徹，主要起防彈作用，而緩沖層用于削弱防彈衣沖擊人體造成的防彈衣后鈍性傷（Behind Armor blunt Trauma, BABT），主要起防護(hù)作用。傳統(tǒng)的EVA、EPS和EPP等緩沖材料體系防彈衣雖然能夠阻擋子彈穿透，但撞擊產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊波仍會(huì)通過各層介質(zhì)傳遞到人體，致使人體出現(xiàn) BABT，如內(nèi)臟破裂、骨折、皮膚淤青等，從而嚴(yán)重影響士兵后續(xù)作戰(zhàn)能力。因此，亟待在保證防彈衣防彈性能的基礎(chǔ)上大幅提升防彈衣的防護(hù)性能，最終達(dá)到有效保護(hù)人員并延長作戰(zhàn)人員戰(zhàn)斗能力的目的。

針對(duì)現(xiàn)有防彈衣防護(hù)性能不足的問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所魏延鵬正高級(jí)工程師研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種針對(duì)沖擊載荷具有自主調(diào)控能力的柔性智能抗沖擊材料（Flexible Intelligent Anti-Impact Material，F(xiàn)IAM），并實(shí)現(xiàn)了基于力學(xué)環(huán)境的材料定向優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工藝方案。將FIAM創(chuàng)新性地用于防彈衣緩沖層，重點(diǎn)研究了彈道沖擊下FIAM的防護(hù)性能，從電子、原子、分子和宏觀尺度闡述了FIAM的防護(hù)效應(yīng)和沖擊硬化機(jī)制，并系統(tǒng)分析了復(fù)合防彈衣的變形模式、能量傳遞和耗散等動(dòng)力學(xué)行為。相關(guān)研究成果于復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《Composites Science and Technology》在線發(fā)表，論文標(biāo)題為《Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact》。

2內(nèi)容簡介

（1）FIAM柔性智能抗沖擊材料

FIAM是一種力學(xué)性能隨沖擊載荷變化而改變的高分子聚合物，制備工藝如圖1所示。在自然狀態(tài)或低速?zèng)_擊下，FIAM呈粘流態(tài)，不僅表現(xiàn)出柔軟的凝膠特性，而且還具有比STF更為優(yōu)異的可塑性、熱穩(wěn)定性和應(yīng)用性。隨著沖擊載荷的增大，F(xiàn)IAM能夠發(fā)生從粘流態(tài)到高彈態(tài)，甚至玻璃態(tài)的相變，宏觀行為表現(xiàn)為模量的急劇增大，因而能夠更好的抵抗沖擊變形并吸收沖擊能量。當(dāng)沖擊載荷消失后，F(xiàn)IAM不僅能夠恢復(fù)至最初的粘流態(tài)，而且還能在斷裂破碎后重新粘結(jié)，表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)特性。

圖1 FIAM的制備工藝及其力學(xué)性能

（2）FIAM柔性復(fù)合防彈衣

研究團(tuán)隊(duì)將FIAM用作防彈衣緩沖材料，將其制成圓餅形“護(hù)心甲”（直徑10 cm、厚度0.5 cm）。在原有EVA緩沖層基礎(chǔ)上，將“護(hù)心甲”填充于心臟部位—BABT重要靶器官，對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)防護(hù)，然后與超高分子量聚乙烯（UHMWPE）防彈層復(fù)合形成了一種柔性防彈衣，如圖2所示。根據(jù)《GA141-2010警用防彈衣》二級(jí)防彈標(biāo)準(zhǔn)，建立由子彈、防彈衣和背襯材料（等效人體）組成的彈道沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并用子彈沖擊心臟防護(hù)部位。同時(shí)，基于LS-DYNA有限元分析軟件建立相應(yīng)的有限元模型，以研究防彈衣的動(dòng)力學(xué)行為。最終，根據(jù)防彈衣對(duì)人體的沖擊壓力和人體凹陷深度（BFS），評(píng)估防彈衣對(duì)人體的防護(hù)性能。

圖2 復(fù)合防彈衣結(jié)構(gòu)圖

（3）FIAM的防護(hù)性能

利用Tekscan分布式壓力傳感器測量防彈衣對(duì)人體的沖擊載荷與時(shí)空分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)EVA緩沖材料（2861.61 kPa），F(xiàn)IAM（1571.08 kPa）可將防彈衣對(duì)人體的沖擊壓力降低45%，如圖3所示。在沖擊壓力的演化過程中，我們發(fā)現(xiàn)：EVA防護(hù)下的沖擊壓力始終呈現(xiàn)出中心高四周底的“山峰型”分布，而FIAM防護(hù)下的沖擊壓力會(huì)由沖擊開始時(shí)的“山峰型”分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g低四周高的“山谷型”分布。這就表明FIAM能夠?qū)⒏嗟臎_擊能量向四周分散，從而降低了沖擊中心區(qū)的沖擊壓力。

作為防彈衣防護(hù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，F(xiàn)IAM和EVA防護(hù)下的人體凹陷深度（BFS）均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（中國25mm、美國44 mm），并且FIAM防護(hù)下的BFS比EVA防護(hù)降低48%，如圖4所示。同時(shí)，結(jié)合數(shù)值模擬得到，彈道沖擊下FIAM不僅能夠吸收更多的沖擊能量，而且傳遞給人體的能量也更少，因而可以大幅降低彈道沖擊造成的人體鈍性損傷。

圖3 防彈衣對(duì)人體的沖擊壓力分布

圖4 EVA與FIAM材料的防護(hù)性能比較

（4）FIAM的防護(hù)機(jī)理

FIAM的防護(hù)機(jī)理主要表現(xiàn)為材料中存在動(dòng)態(tài)可逆的B-O交聯(lián)鍵，B-O鍵的斷裂與形成受沖擊載荷的影響，繼而影響著分子鏈的纏結(jié)與解纏結(jié)，最終促使了FIAM能夠發(fā)生粘流態(tài)、高彈態(tài)和玻璃態(tài)之間的可逆相變。無彈道沖擊時(shí)，B-O鍵的斷裂快于FIAM的形變，導(dǎo)致分子鏈的纏結(jié)密度較低，F(xiàn)IAM較弱的“阻塞”效應(yīng)而表現(xiàn)柔韌性較好的粘流態(tài)。隨著沖擊載荷的增大，B-O鍵的斷裂跟不上FIAM的形變，來不及斷裂的B-O鍵導(dǎo)致分子鏈纏結(jié)密度增大，F(xiàn)IAM“阻塞”效應(yīng)的增強(qiáng)以及分子鏈作用力的增大，致使FIAM表現(xiàn)出高彈態(tài)，甚至玻璃態(tài)，從而能夠更好的抵抗沖擊變形并吸收沖擊能量，如圖5所示。

圖5 FIAM的防護(hù)機(jī)理

（5）復(fù)合防彈衣的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

根據(jù)子彈、防彈衣和人體的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，將其分為沖擊變形、防彈衣破壞與分層、防彈衣鼓包與回彈、人體永久凹陷形成四個(gè)階段，如圖6所示。其中，人體凹陷程度是影響防彈衣防護(hù)性能的重要因素，也是造成人體損傷的重要原因，并且與防彈衣對(duì)人體的沖擊強(qiáng)度正相關(guān)。值得注意的是，按照現(xiàn)有防彈衣防護(hù)性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，人體凹陷深度（BFS）低于25 mm，即認(rèn)為防彈衣具備有效的防護(hù)效應(yīng)。對(duì)于無緩沖層的防彈衣，BFS也能滿足該指標(biāo)，但按照現(xiàn)有人體力學(xué)損傷判據(jù)，人體內(nèi)臟卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的鈍性損傷。這就說明未考慮人體力學(xué)響應(yīng)的BFS標(biāo)準(zhǔn)具有一定的局限性，并且單獨(dú)的防彈層不足以有效保護(hù)人體，而需要利用防彈衣緩沖層實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的增強(qiáng)保護(hù)。

圖6 防彈衣的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程

（6）FIAM的應(yīng)用前景

基于FIAM獨(dú)特的力學(xué)特性，圍繞典型沖擊防護(hù)應(yīng)用場景，研究團(tuán)隊(duì)相繼開發(fā)出FIAM-PU、FIAM-EP和FIAM-EVA和FIAM-TPE等功能型復(fù)合材料。復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、可塑性和抗沖擊性能，在高端電子防護(hù)、裝備防護(hù)、個(gè)體防護(hù)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景（圖7），現(xiàn)階段已通過知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)形式與北京中科力信科技有限公司合作進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣階段。

圖7 FIAM的應(yīng)用場景

3小結(jié)

隨著單兵防彈裝備的升級(jí)和發(fā)展，在滿足防彈性能基本需求的同時(shí)，防護(hù)性能的提升始終是個(gè)體防護(hù)裝備追求的終極目標(biāo)。本文將具有沖擊相變效應(yīng)的FIAM柔性智能抗沖擊材料應(yīng)用于防彈衣緩沖層，能夠明顯降低防彈衣對(duì)人體的沖擊載荷和人體的凹陷深度，繼而可以達(dá)到顯著降低BABT并有效保護(hù)人體的目的。同時(shí)，基于防彈衣動(dòng)力學(xué)行為和防彈衣緩沖層重要性的研究，不僅能夠?yàn)榉缽椧碌脑O(shè)計(jì)和性能提升提供有益的指導(dǎo)，也可以加強(qiáng)人們對(duì)防彈裝備防護(hù)性能的重視。

原始文獻(xiàn)：Tang F, Dong C, Yang Z, Kang Y, Huang XC, Li MH, Chen YC, Cao WJ, Huang CG, Guo YC, Wei YP*. Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact[J]. Composites Science and Technology, 2022, 218: 109190.

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