織物的侵徹性質及防彈原理分析

侵徹（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）性質是指織物在超高速應力作用（如子彈或破片打擊）織物過程中織物產生的變形和破壞，以及這些變形和破壞導致的對子彈或破片高速動能的吸收。在軟質和輕質防護裝甲中，由高性能纖維織造的織物得到大量應用。目前各種高性能纖維不斷涌現，采用新的織物結構和彈道侵徹的設計方法，可以對織物和紡織結構復合材料侵徹性質作優化設計。
在織物彈道貫穿過程中，起阻礙子彈前進、吸收子彈能量的是纖維。纖維一般經受斷裂時間在５０～１５０μｓ，應變速率（單位時間內材料的應變率）在５００～１５００ｓ－１的瞬態沖擊，所以纖維高應變速率下的力學特性將會影響到彈道沖擊過程中子彈與纖維的作用，且纖維高應變速率下的力學特性可分為兩種，即高應變速率下具有應變率相關特性和高應變速率下應變率無關或應變率不敏感特性。所謂高應變速率相關特性是指隨著測試應變率的提高，測試纖維的強度、模量、斷裂伸長、斷裂功等力學性能指標值會發生變化。應變率無關或是應變速率不敏感是指隨著測試應變速率的提高，測試纖維的強度、模量、斷裂伸長、斷裂功等力學性能指標值保持不變
) _; D0 ]/ c  @0 N& k- ^: I或變化很小。

由于加載機制的不同，普通的力學性能試驗儀器無法產生瞬態高應變速率的加載載荷。分離式霍普金森（Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ）沖擊裝置是有效的產生應變速率水平在１０３ｓ－１左右的沖擊裝置，加上纖維束試樣的大長徑比和短的長度能夠基本保證該裝置的一維應
- z! e6 v' k! ^" `' `6 d力波傳遞和應力應變在試樣內是近似均勻的設計原理要求，此裝置是目前普遍采用的纖維束中、高應變速率沖擊拉伸力學性能測試裝置。圖是Ｔｗａｒｏｎ�K １０００（對位芳族聚酰胺纖維的一種牌號）型纖維束在不同應變速率下的拉伸應力應變曲線，可以看出其在靜態拉伸下與高速拉伸下應力應變曲線的差異，力學性質參數見表。

Ｔｗａｒｏｎ�K １０００型長絲束沖擊拉伸數據表
4 @4 w. u( g; M" u& |

應變速率（ｓ－１）	初始模量（ＧＰａ）	最大斷裂應力（ＧＰａ）	最大斷裂伸長率（％）
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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5 Z' x  E2 D; U, k如圖所示，紗線在子彈以速度ｖ的橫向打擊下，將產生沿長度方向的縱波和垂直于長度方向的橫波。如果把紗線作為彈性體，紗線中縱波波速即材料中沿軸向聲速，它決定于纖維中高聚物分子的取向度等因素，且對于具體對象是常數。
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子彈對紗線的橫向沖擊
3 F# I0 ^. V, l; r# q( M

式中：ｃ———軸向波速，ｍ／ｓ；
Ｅ———紗線拉伸彈性模量，ｃＮ／ｄｔｅｘ；
; k/ Q9 y1 V; w# Qδ———紗線密度，ｇ／ｃｍ３。
圖中橫波速度ｕｌａｂ決定于子彈速度及其導致的瞬時應變ε。

式中：ｖ———子彈速度，ｍ／ｓ。
3 L; N/ N4 q' u; I由于紗線的縱波和橫波也會導致織物的縱波和橫波，織物吸收子彈動能的機理是纖維斷裂、織物縱波區域的應變能、織物橫波區域的應變能和動能。采用高模量纖維，縱波波速增加，織物應變區域增大，使能量吸收增大；采用失效應變高的纖維，纖維斷裂功增加，吸收動能量也增加。在織物設計中，通常選用對位芳族聚酰胺纖維和超高分子量高強度高模量聚乙烯纖維；而碳纖維由于相對較低的失效應變，以及其斷裂功有限，一般不用于防彈織物的設計。

. V2 b% b4 O. d: S8 w/ B9 X5 j, a; I; v機織物在彈道沖擊下呈現如圖所示的金字塔變形形態，針織物呈現圓錐形變形形態。在織物組織中，由于經緯紗間的滑移等因素，一般選用平紋組織作為防彈衣面料。理論計算表明，方平組織具有最好的抗彈道侵徹性質，針織物不具有好的彈道防護能力。

織物在垂直彈道沖擊下變形示意圖

6 I* W" r4 c, s% c0 @. R在織物抗彈道侵徹性質設計中，數值計算方法（如有限元方法）體現出較好的優勢，下圖是疊層平紋織物彈道沖擊破壞的一個例子。

五層平紋織物在子彈垂直沖擊下破壞過程的數值計算結果

/ V2 s4 l/ A# [3 z  t子彈在垂直侵徹織物過程中，由于纖維的逐次斷裂和紗線間的滑移，以及另外存在縱波、橫波區域的變化，使子彈受力一直處于變化過程中。圖1是子彈貫穿五層平紋織物時子彈負加速度（減速度）的變化圖，可以看出子彈的受力呈振蕩狀態。

圖1   子彈貫穿五層平紋織物過程中的負加速度

在子彈射向織物過程中，子彈接觸到織物表面有兩種可能，一種是子彈接觸到織物紗線縫隙，從紗線縫隙中穿過，如圖1（a）所示，另一種是子彈直接接觸紗線，紗線受到拉伸而斷裂，如圖1（b）所示。
圖2為不同接觸點子彈貫穿速度與時間關系曲線，從速度方面反映兩者間的差異；圖3為不同接觸點子彈動能損失與時間關系曲線，從能量方面反映兩者間的差異。從圖1中可以看到，當子彈剛接觸到織物表面，接觸點為紗線時子彈速度下降比接觸點為縫隙時要快。同一時刻，彈著點為紗線的情況下，紗線發生斷裂；彈著點為縫隙的情況下，紗線還沒有斷裂（從圖1可以看出），因此接觸點為紗線情形下起始階段子彈速度下降較快；在彈道侵徹后期，彈體與縫隙接觸時相鄰兩根紗線可以同時消耗其應變能和斷裂功，從而引起子彈速度下降的絕對值大于彈體與紗線直接接觸的情形。

圖1  彈著點位置

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圖2   不同接觸點子彈速度與時間關系曲線

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圖3    不同接觸點子彈動能損失與時間關系曲線

上述表明在一定的經緯紗密度（如對于３３６０ｄｔｅｘ的經緯紗，通常的經緯密是６～８根／ｃｍ），子彈沖擊點位置對于織物的抗彈性質沒有太大影響，即沖擊點無論是位于經緯紗的交織點還是位于經緯紗交織縫隙，都不影響織物防彈性能，有時位于交織縫隙的情形下反而具有更好的防彈效果。

防彈性能測試
2 p- n! g% }7 ?將織物試樣夾持于固定樣品架中，一般在距試樣５ｍ處用適當型號的槍支和一定質量和結構的槍彈頭，并要調整好子彈的炸藥量（即調整子彈射擊織物時的線速度）。當測量一半子彈（如五發子彈）擊穿織物、另一半子彈（五發子彈）未擊穿織物時，這五對子彈線速度的平均值（規定最高速的子彈與最低速的子彈線速度之差小于３０ｍ／ｓ），可稱為侵徹臨界速度（未擊穿及擊穿概率各５０％時的子彈線速度，ｖ５０）。
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