织物的侵彻性质及防弹原理分析

侵彻（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）性质是指织物在超高速应力作用（如子弹或破片打击）织物过程中织物产生的变形和破坏，以及这些变形和破坏导致的对子弹或破片高速动能的吸收。在软质和轻质防护装甲中，由高性能纤维织造的织物得到大量应用。目前各种高性能纤维不断涌现，采用新的织物结构和弹道侵彻的设计方法，可以对织物和纺织结构复合材料侵彻性质作优化设计。
在织物弹道贯穿过程中，起阻碍子弹前进、吸收子弹能量的是纤维。纤维一般经受断裂时间在５０～１５０μｓ，应变速率（单位时间内材料的应变率）在５００～１５００ｓ－１的瞬态冲击，所以纤维高应变速率下的力学特性将会影响到弹道冲击过程中子弹与纤维的作用，且纤维高应变速率下的力学特性可分为两种，即高应变速率下具有应变率相关特性和高应变速率下应变率无关或应变率不敏感特性。所谓高应变速率相关特性是指随着测试应变率的提高，测试纤维的强度、模量、断裂伸长、断裂功等力学性能指标值会发生变化。应变率无关或是应变速率不敏感是指随着测试应变速率的提高，测试纤维的强度、模量、断裂伸长、断裂功等力学性能指标值保持不变
5 C. d- a* e+ C* I- v/ B+ ]或变化很小。
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由于加载机制的不同，普通的力学性能试验仪器无法产生瞬态高应变速率的加载载荷。分离式霍普金森（Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ）冲击装置是有效的产生应变速率水平在１０３ｓ－１左右的冲击装置，加上纤维束试样的大长径比和短的长度能够基本保证该装置的一维应
6 S4 k4 J9 Y1 @! @' t  ^! `+ p力波传递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，此装置是目前普遍采用的纤维束中、高应变速率冲击拉伸力学性能测试装置。图是Ｔｗａｒｏｎ? １０００（对位芳族聚酰胺纤维的一种牌号）型纤维束在不同应变速率下的拉伸应力应变曲线，可以看出其在静态拉伸下与高速拉伸下应力应变曲线的差异，力学性质参数见表。
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Ｔｗａｒｏｎ? １０００型长丝束冲击拉伸数据表
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应变速率（ｓ－１）	初始模量（ＧＰａ）	最大断裂应力（ＧＰａ）	最大断裂伸长率（％）
１０－２	６２	２．３９５	５．１９
１８０	６９	２．５９６	５．２２
４８０	７０	２．７０４	５．４７
１０００	７２	２．７５３	５．７０
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+ p3 ^7 h  j& n7 a如图所示，纱线在子弹以速度ｖ的横向打击下，将产生沿长度方向的纵波和垂直于长度方向的横波。如果把纱线作为弹性体，纱线中纵波波速即材料中沿轴向声速，它决定于纤维中高聚物分子的取向度等因素，且对于具体对象是常数。

子弹对纱线的横向冲击

式中：ｃ———轴向波速，ｍ／ｓ；
Ｅ———纱线拉伸弹性模量，ｃＮ／ｄｔｅｘ；
δ———纱线密度，ｇ／ｃｍ３。
1 I( ]8 {: k* x7 A) U图中横波速度ｕｌａｂ决定于子弹速度及其导致的瞬时应变ε。

式中：ｖ———子弹速度，ｍ／ｓ。
由于纱线的纵波和横波也会导致织物的纵波和横波，织物吸收子弹动能的机理是纤维断裂、织物纵波区域的应变能、织物横波区域的应变能和动能。采用高模量纤维，纵波波速增加，织物应变区域增大，使能量吸收增大；采用失效应变高的纤维，纤维断裂功增加，吸收动能量也增加。在织物设计中，通常选用对位芳族聚酰胺纤维和超高分子量高强度高模量聚乙烯纤维；而碳纤维由于相对较低的失效应变，以及其断裂功有限，一般不用于防弹织物的设计。

! A! u/ ^3 J; ~9 t1 V/ p8 y机织物在弹道冲击下呈现如图所示的金字塔变形形态，针织物呈现圆锥形变形形态。在织物组织中，由于经纬纱间的滑移等因素，一般选用平纹组织作为防弹衣面料。理论计算表明，方平组织具有最好的抗弹道侵彻性质，针织物不具有好的弹道防护能力。

织物在垂直弹道冲击下变形示意图

/ s3 E' |, j/ p0 v2 F在织物抗弹道侵彻性质设计中，数值计算方法（如有限元方法）体现出较好的优势，下图是叠层平纹织物弹道冲击破坏的一个例子。

五层平纹织物在子弹垂直冲击下破坏过程的数值计算结果

子弹在垂直侵彻织物过程中，由于纤维的逐次断裂和纱线间的滑移，以及另外存在纵波、横波区域的变化，使子弹受力一直处于变化过程中。图1是子弹贯穿五层平纹织物时子弹负加速度（减速度）的变化图，可以看出子弹的受力呈振荡状态。

图1   子弹贯穿五层平纹织物过程中的负加速度

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在子弹射向织物过程中，子弹接触到织物表面有两种可能，一种是子弹接触到织物纱线缝隙，从纱线缝隙中穿过，如图1（a）所示，另一种是子弹直接接触纱线，纱线受到拉伸而断裂，如图1（b）所示。
图2为不同接触点子弹贯穿速度与时间关系曲线，从速度方面反映两者间的差异；图3为不同接触点子弹动能损失与时间关系曲线，从能量方面反映两者间的差异。从图1中可以看到，当子弹刚接触到织物表面，接触点为纱线时子弹速度下降比接触点为缝隙时要快。同一时刻，弹着点为纱线的情况下，纱线发生断裂；弹着点为缝隙的情况下，纱线还没有断裂（从图1可以看出），因此接触点为纱线情形下起始阶段子弹速度下降较快；在弹道侵彻后期，弹体与缝隙接触时相邻两根纱线可以同时消耗其应变能和断裂功，从而引起子弹速度下降的绝对值大于弹体与纱线直接接触的情形。

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图1  弹着点位置

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图2   不同接触点子弹速度与时间关系曲线

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图3    不同接触点子弹动能损失与时间关系曲线

上述表明在一定的经纬纱密度（如对于３３６０ｄｔｅｘ的经纬纱，通常的经纬密是６～８根／ｃｍ），子弹冲击点位置对于织物的抗弹性质没有太大影响，即冲击点无论是位于经纬纱的交织点还是位于经纬纱交织缝隙，都不影响织物防弹性能，有时位于交织缝隙的情形下反而具有更好的防弹效果。

防弹性能测试
; ?& X" G  [  Z7 h) v/ t9 r2 d将织物试样夹持于固定样品架中，一般在距试样５ｍ处用适当型号的枪支和一定质量和结构的枪弹头，并要调整好子弹的炸药量（即调整子弹射击织物时的线速度）。当测量一半子弹（如五发子弹）击穿织物、另一半子弹（五发子弹）未击穿织物时，这五对子弹线速度的平均值（规定最高速的子弹与最低速的子弹线速度之差小于３０ｍ／ｓ），可称为侵彻临界速度（未击穿及击穿概率各５０％时的子弹线速度，ｖ５０）。
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