天然植物纤维增强复合材料抗弹性研究

在过去几十年中，人们对于以“绿色材料”替代合成材料越来越感兴趣。这些绿色材料不但可回收利用，生物降解，还是环境友好型材料[1-2]。在这种潮流之下，天然纤维，尤其是源于植物的纤维(又称天然木质纤维素纤维)，越来越多地吸引了天然纤维增强聚合物基复合材料在若干应用领域研究的注意力。这是由于天然材料相对合成纤维有各类性能优势，例如原料丰富，可回收，生产成本低，具有生物降解性和可再生性。其中一个应用领域在过去十年中进入了人们的视线：将天然木质纤维用于防弹领域，作为多层防护装甲(特指便携式防护背心)的一部分[3-7]。

1 抗弹结构原理及抗弹材料性能分析

1.1 抗弹结构原理

为了满足多层防护装甲(特指便携式防护背心)最大程度地吸收子弹及其他射体动能的要求，多层防护装甲通常由较硬的前陶瓷片组成，陶瓷片具有使弹丸变形和侵蚀/使其断裂功能。由于这种前陶瓷层的存在，高能弹丸一旦击中前陶瓷片的正面，压缩波就会传播并到达陶瓷片的背面。此时，部分压缩波反射为张力脉冲，从而破坏陶瓷片，陶瓷破片通过断裂、形变而消耗弹丸大部分能量[8-10]。多层防护装甲的第二层通常是较轻的复合材料，通过吸收部分破片(弹丸或陶瓷)的动能，降低更多的冲击波。扩散子弹及弹射物剩余部分的能量，并起到缓冲的作用，从而尽可能地降低了非贯穿性损伤，在这两次防弹过程中，前一次发挥着主要的能量吸收作用，大大降低了射体的侵彻力，是防弹的关键所在[11]。最后屏障的第三韧性金属层，进一步限制了弹丸或其破片的穿透深度超过最大标准深度44 mm(NIJ标准规定，超过该深度值，穿透可能会对装甲穿戴者造成严重的钝挫伤)，避免了对人体造成严重伤害[12-13]。

1.2 抗弹材料的抗弹性分析

随着材料技术的快速发展，多层防护装甲第二层多以凯夫拉(Kevlar)和特瓦纶(Twaron)等芳纶纤维以及超高分子聚乙烯纤维强化材料为轻型防弹衣复合材料的首选。其中，与合成纤维相比，芳纶纤维(Kevlar49)强度最高，为3 600～4 100 MPa、硬度最高，为131 GPa、纤维材料直径相对较细，为10～20 μm、密度较低，为1.4 g/cm3。凯夫拉(Kevlar)复合材料通过纤维从基质中剥离的方式吸收剩余弹丸或陶瓷破片的部分能量。此外，纤维拉伸及其弯曲变形和最终断裂也符合相关的吸收机理。在最近的研究结果显示：多层防护系统中胶合芳纶纤维可消散7.62 mm口径高速弹药的冲击能量是单独纤维的20倍。研究发现，大量芳纶纤维碎片上的多层防护装甲前陶瓷板能够吸收36%的冲击能量。

如果没有作为多层防护装甲(防弹衣)主要防护的前陶瓷板，需要相当大数量(20～50)的芳纶纤维层才可防护相对较高能量的弹丸[14]。由于体积和硬度限制了多层防护装甲(防弹衣)的舒适性和机动性，因此这种整体复合材料还未应用于对抗重型弹药的防弹衣。一个完整的多层防护装甲系统也包括作为最后屏障的第三韧性金属层。这进一步限制了弹丸或其破片的穿透深度超过最大标准深度44 mm，避免了对人体造成严重伤害。在某些情况下，为了避免破裂的陶瓷破片，在装甲的前部会附加一个防碎层[10]。

中间复合材料层作为防弹背心的较轻部件，不仅为穿戴者提供了舒适性和机动性，而且提高了弹丸冲击的吸收效率。的确，弹丸撞击后会产生压缩波并穿过几层多层装甲防护系统。在不同材料(陶瓷/复合材料/金属)之间的接合面，传播的能量脉冲根据两层的阻抗，以张力波或压缩波的形式反射回来[15]。当一个较低的冲击阻抗复合材料位于接合面后方时，所产生压缩波的透射能相对较低。由于冲击阻抗与材料密度直接相关，因此应由支撑陶瓷片的相对较轻的复合材料提供更大的弹道冲击能量吸收。典型的多层装甲防护系统材料包括密度为3.7 g/cm3左右的Al2O3瓷片，其中间层是1.4 g/cm3的芳纶纤维复合材料，最后一层是2.7 g/cm3的铝板。为了使多层装甲更具防护和轻便性，研究发现，用低密度的纤维增强复合材料——天然纤维增强的轻质聚合物复合材料代替芳纶纤维是提高多层装甲防护系统的另一理想选择，即采用从植物中提取的天然纤维，也称为木质纤维素纤维，该纤维具有可再生、可降解、可回收、二氧化碳排放适中等特性，污染小。此外，在加工过程中，这种纤维不像玻璃、碳和芳纶等合成纤维那样耗能较大[16]。因此，该植物纤维与合成树脂进行复合制成低密度纤维增强复合材料，该材料除密度更低之外，制品更具抗伸强度和抗击韧性，成本也更低，而且公认具有环保性。

2 典型植物纤维的防弹性原理研究

比利时鲁汶大学Wambua等[16]对天然纤维增强聚合物复合材料的防弹性能进行系统性研究。他们针对46 vol%(体积百分比)的亚麻纤维、大麻类植物或黄麻平纹织物增强的聚丙烯作为基体。其复合材料板中有12.9 mm厚的亚麻和黄麻纤维以及6.9 mm厚的大麻类植物，分别用1.5 mm和0.8 mm厚的低碳钢板覆盖或夹覆。采用直径5.385 mm合金钢制作、用于模拟弹丸的凿头破片进行了防弹冲击试验。作为主要的研究目标之一，Wambua等[17]的研究报告中虽然提供了与天然纤维复合材料有关的弹道冲击速度和能量信息，但并未对其作为人体防护装甲的系统性能进行评估。基于上述这种情形，巴西材料学军事工程研究所首先把菠萝族植物、锦葵属植物、巴西榈3种天然植物从纤维束中分离出纤维(图1、图2、图3)，在60 ℃的实验室炉中干燥2 h，并在120×150 mm钢模中以正确的数量对齐放置，锦葵属植物纤维与菠萝属植物纤维都并沿长度方向手工铺设30 vol.%的连续对齐的植物纤维，而巴西榈纤维以50%的体积百分比)按90°正交铺设纤维，再将液态树脂(主要成分以双酚A环氧甘油醚(DGEBA)环氧与化学计量的13%三乙烯四胺(TETA)混合作为催化剂，或以不饱和邻苯二甲酸酯混合0.5%甲乙酮作为硬化剂)倾倒在模具中，施加3～5 MPa 的压力(菠萝纤维一般为5 MPa，另外两种为3 MPa)，使复合板固化24 h，从而制备成天然纤维复合板(如图3(b))，并分别对三种天然植物纤维复合板进行抗弹性能研究。

2.1 天然菠萝族植物纤维增强复合材料[20]

菠萝族植物纤维的密度为0.92 g/cm3、平均直径为50 μm、抗张强度为1 250～3 000 MPa、弹性模量为27～80 GPa[18]。菠萝族植物纤维增强的聚合物复合材料的冲击能可达到150 J/m以上[19]。然后采用粘土块模拟人体，对不同类型的多层装甲防护系统的靶材进行了10次试验，并通过Weibull统计法对试验结果进行了分析。按照NIJ 0101.03和NIJ 0101.04标准，所有试验均使用7.62×51 mm NATO军用弹药进行。

该弹道试验通过弹体穿透模拟人体的凹陷水平来研究陶瓷、芳纶纤维、菠萝族植物纤维复合材料和铝层组成的多层装甲的防弹性能。使用Al2O3前片进行了大量的多层防护装甲系统的冲击试验。防护装甲中间层，采用了轻质菠萝族植物纤维增强复合材料板(环氧树脂或聚酯基体)与普通环氧树脂或聚酯板和芳纶纤维的防弹性能(厚度相同)进行了研究。通过单独的冲击试验对每一种材料的作用加以评估，弹道测试评估如表1、表2、表3所示。

表1列出了不同MAS靶材的弹道测试数据，根据数据表明，菠萝族植物纤维/环氧复合材料作为MAS的第二层，具有其他研究对象(包括芳纶纤维)无法比拟的防弹性能。

表2显示出使用菠萝族植物纤维复合材料的多层防护装甲的总质量减少5%以上。此外，相应的总成本下降了31%以上。在实际应用中，菠萝族植物/环氧复合材料优异的防弹性能与芳纶相比，质量轻5%、成本降低31%，其显现出的经济优势、所带来的市场潜力和长期耐候性，使其在作战人员多层防护装甲背心上的应用前景广阔。

表3，陶瓷片内部耗散能量为1920 J，为最高值，而芳纶纤维的耗散能量最低(58 J)。这证实了表1中的结果，其中芳纶纤维比菠萝族植物纤维/环氧复合材料表现出较差的防弹性能(凹陷更深)。

总之，从表1～表3中可以得出结论：菠萝族植物纤维/环氧复合材料吸收冲击能量的能力更加有效，无论是在子弹穿透多层装甲防护系统前陶瓷层形成破片后，还是高速7.62 mm子弹直接穿透该材料，均表现出更有效的性能。支撑前陶瓷片不仅降低了速度(33 %)，而且消耗了大部分的冲击能量(55 %)，无论是芳纶纤维和菠萝族植物纤维/环氧复合材料，都比单独部件更加有效。在多层装甲防护系统中捕获破片是一种有效的能量吸收机制。另一方面，子弹可以很轻易地穿过单部件纤维，并且材料只吸收了1.7 %(芳纶纤维)或3.1 %(菠萝族植物纤维/环氧复合材料)的冲击能量。在任何一种多层装甲防护系统单一部件的试验中，与芳纶纤维相比，菠萝族植物纤维复合材料在通过粉碎脆性环氧基吸收额外能量方面提供了更好的防弹性能。菠萝族植物纤维/环氧复合材料的轻便性和成本优势使其在MAS中的实际应用前景更加广阔。

2.2 锦葵属植物纤维增强环氧复合材料[21]

锦葵属植物纤维具有复合材料增强的潜力，密度为1.40 g/cm3、抗张强度为160 MPa，弹性模量为17.4 GPa。尤其是9 mm口径的中速(436 m/s)子弹射入所产生的能量有40 %被锦葵属植物纤维增强的环氧复合材料吸收，所吸收的能量为194 ± 21 J[22]。以同样的厚度、使用相同的弹道测试程序、基于穿孔后测得的9 mm子弹剩余速度，这一特性基本接近凯夫拉(Kevlar)纤维 221±27 J的吸收能量。这些研究成果[22-23]，推动了巴西材料学军事工程研究所针对锦葵属植物纤维增强环氧复合材料作为对抗高速7.62 mm弹药的第二层多层装甲防护系统的研究。

该植物的防弹试验在巴西陆军评估中心进行，试验采用了经认证的7.62×9 51 mm NATO弹药，子弹质量9.7 g。Kevlar®和锦葵属植物纤维等的弹道分析见表4所示。

从表4中的数据可以看出，用锦葵属植物纤维复合材料作为多层装甲防护系统第二层，代替等厚度的传统凯夫拉(KevlarTM)，质量稍微增加了2%左右，但成本却显著降低200%以上。这些结果表明，在实际应用中，以锦葵属植物纤维复合材料代替凯夫拉(KevlarTM)多层装甲防护系统在防弹性能和轻量化方面具有相同的技术优势，且成本较低。原则上，这些结果与之前使用其他天然纤维增强聚合物复合材料的类似研究结果相比并不令人惊讶。目前工作的重要因素是：锦葵属植物纤维复合材料还未在工程应用中得到认可。

2.3 榈纤维增强环氧树脂基体复合材料[24]

巴西榈纤维的密度介于 1.10～1.45 g/cm3之间。这些纤维的化学成分基本为纤维素和木质素，分别占31.6%和48.4%。这种纤维构成具有天然的抗弯刚度和防水性。0.25～0.70 mm 直径巴西榈纤维的机械特性为：拉伸强度108.5～147.3 MPa，弹性模量5.5～6.3 GPa，屈服强度 69.8～81.7 MPa[25-30]。

基于上述优势，巴西材料学军事工程研究所连续对巴西榈纤维(巴西榈纤维体积分数分别为 10%、20%、30%、40% 和 50%)和环氧树脂制成用作多层装甲防护系统中间层的复合板，然后对其进行弹道试验。试验结果分析见表5所示。

表5分析了巴西榈纤维六组复合材料样本在经过弹道试验后的凹陷深度值。由此表可知：

1) 巴西榈纤维/环氧树脂系统均未在相应的弹道试验中被贯穿，且所有结果均显示凹陷深度小于44 mm。根据NIJ标准，巴西榈纤维/环氧树脂有望作为防弹装甲中的环氧树脂复合材料。

2) 此复合材料以50%(体积百分比)巴西榈纤维增强，采用正交铺设结构，具有优越的弹道冲击抵抗表现。此复合材料能够在一次弹道冲击后保持完整，因此是所有样本中最适合多层装甲防护系统的材料

但是，巴西榈纤维含量的进一步增加有待进一步研究。而且，由于复合材料中纤维增强材料和基体之间的空隙增大，黏着力下降，加工此材料时有一定难度，实际工程应用还待进一步研究。

综上所述：巴西三种植物纤维复合材料板的弹道性能分析研究得知：三种纤维复合板的弹道凹陷度以芳纶纤维的弹道凹陷度为基准(22.67±2.79 mm，22.7±2.8)，其中菠萝族植物纤维复合板的弹道凹陷值为17.13 ± 1.57 mm，锦葵属植物纤维复合板的凹陷平均值为22.4±1.3，巴西榈纤维复合板凹陷平均值为17.65 mm左右(见表5)，从三种植物纤维复合板的凹陷值指标可看出，榈纤维和菠萝族植物的防弹性能最佳，更适合制作多层防护装甲的中间防护层。但在实际应用中，植物纤维增强复合材料板与芳纶料板相比，不但具有优异的防弹性能，且在重量、制造成本方面者具有经济优势，使其在作战人员MAS装甲背心上的应用前景广阔.

3 结论

1) 天然植物纤维与芳纶纤维有相同抗弹性能，并且比芳纶纤维更具有环保性。

2) 天然植物纤维用于防弹衣中间层，比芳纶纤维作防弹衣中间层质量更轻，更舒服。

3) 根据材料的热降解性，在高达200 ℃的条件下，天然植物纤维/环氧复合材料具有与芳纶纤维同样的耐候性，甚至可能比作战人员的防弹背心中的芳纶纤维更耐用。

天然植物纤维具有与芳纶纤维同样的防弹性能，甚至在环保性、轻量化、制造成本上更具有优势，但巴西材料军事研究所对几种天然植物纤维只限于理论研究，给各国在防弹材料领域的研究提供了更广阔的思路。

[1] SATYANARAYANA K G,ARIZAGA G G C,WYPYCH F,et al.Studies of the Effect of Molding Pressure and Incorporation of Sugarcane Bagasse Fivers on the structure and Properties of Poly(hydroxy butyrate) Polym [J].Composites Part A,2009(34):573-582.

[2] KALIA S,KAITH B S,KAUR I.Cellulose Fibers,Bio-,and Nano-polymer Composites[J].Springer Berlin Heidel-berg,2011.

[3] MONTERIRO S N,LOPES F P D,BARBOSA A P,et al.Natural Lignocellulosic Fibers as Engineering Materials-An Overview[J].Metalurgical & Materials Transactiongs,2011,42(10):2963.

[4] BENZAIT Z,TRABZON L.A Review of Recent Research on Materials Used in Polymer-Matrix Composites for Body Armor Application[J].Journal of Composite Materials,2018.

[5] NASCIMENTO L F C,HOLANDA L I F,LOURO L H L,et al.Evaluation of Ballistic Armor Behavior with Epoxy Composite Reinforced with Malva Fibers[J].Springer International Publishing,2017,(A48):44-45.

[6] BRAGA F D O,BOLZAN L T,LUZ F S D,et al.High Energy Ballistic and Fracture Comparison between Multilayered Armor Systems Using Non-woven Curaua Fabric Composites and aramid Laminates[J].Journal of Materials Research & Technology,2017,6(4):417-422.

[7] CEA J R,MOMIS B L.The Ballistic Performance of Confined AIO Ceramic Tiles[J].International Journal of Impact Engineering,1992,12(2):167-187.

[8] SHOKRIEH M M,JAVADPOUR G H.Penetration Analysis of a Projectile in Ceramic Composite Armor,Composite Structures[J].Compos.Struct,2008,82(2):.269-276.

[9] MEDVEDOSKI E.Ballistic Performance of Armour Ceramics:Influence of Design and Structure.Part2[J].Ceramics International,2010,36(7):2117-2127.

[10] PICKERING K L,ABDALLA A,JI C,et al.The Effect of Silane Coupling Agents on Radiata Pine fibre for Use in Thermoplastic Matrix Composites[J].Composites PartA,2003,34:915-926

[11] FARUK O,BLEDZKI A K,FINK H P,et al.Biocomposites Reinforced with Natural Fibers:2000—2010[J].Progress in Polymer Ence,2010,37(11)

[12] DALMEIDA J R M,NUNES L M,PACIONMIK S.Evaluation of the Damaged Area of Glass-fiber-reinforced Epoxy-matrix Composite Materials Submitted to Ballistic Impacts Compas.Sci.Technol[J].Composites Ence & Technolgy,2004,64(7/8):945-954.

[13] LEE Y S,WETZEL E D,WAGNER N J.The Ballistic Impact Characteristics of Kevlar? Woven Fabrics Impregnated with a Colloidal Shear Thickening Fluid [J].Journal of Materials Ence,2003,38(13):2825-2833.

[14] MEYERS M A.Dynamic Behavior of Materials[J].Experimental Meahanics,2012,52(2):183-201.

[15] MONTEIRO S N,LOPES F P D,BARBOSA A P,etal.Natural Lignocellulosic Fibers as Engineering Materials-An Overview[J].Metallurgical & Materials Transactions A,2011(42A):2963-2974.

[16] WAMBUA P,VANGRIMDE B,LOMOV S,et al.The Response of Natural Fibre Composites to Ballistic Impcat By Fragment Simulating Projectiles[J].Composite Structures,2007,77(2):232-240.

[17] MONTERIRO S N,JR E P L,LOURO L H L.Nolvel Ballistic Ramic Fabric Composite Competing with KevlarTM Fabric in Multilayered Armor[J].Materials & Design,2016,96(Apr):263-269.

[18] MONTEIRO S N,LOPES F P D.Natural Lignocellulosic Fibers as Engineering Materials-An Overview [J].Matallrugical & aterials Transactions A,2011,42(10):2963

[19] SERGIO,NEVES,MONTEIRO,et al.Natural Curaua Fiber-Reinforced Composites in Multilayered Ballistic Armor[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2015(46A):4567-4576.

[20] NASCIMIMENTO L F C,LOURO L H L,MONTEIRO S N,et al.Mallow Fiber-Reinforced Epoxy Composites in Multiayered Armor for Personal Ballistic Protection[J].JOM-Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2017,69(10):2052-2056.

[21] DE MORAES Y M,RIBEIRO C G D,MARGEM F M,et al.Tensile Strength Tests in Epoxy Composites with High Incorporation of Malva Fibers[J].Characterization of Minerals& Materials,2016:273-278.

[22] NASCIMENTO L F C,HOLANDA L I F,LOURO L H L,et al.Natural Mallow Fiber-reinforced Epoxy Composite for Ballistic Armor Against ClassⅢ-A Ammunition[J].Metallurgical & materials TransactionsA,2017,48(10):4425-4431.

[23] FABIO DA COSTA GARCIA FILHO,SERGIO NEVES MONTEIRO.Piassava Fiber as an Epoxy Matrix Composite Reinforcement for Ballistic Armor Applications[J].The minerals,Metals & Materials Society,2018,71(2):801-808.

[24] SATYANARAYANA K G,GUIMARSES J L,WYPYCH F.Studies on Lignocellulosic Fibers of Brazil.Part 1:Source,Production,Morphology,Properties and Applications[J].Composites Part A Applied Ence & Manufacturing,2007,38(7):1694-1709.

[25] MONTEIRO S N,CANDIDO N A,BRAGA F O,etal.Sugarcane Bagasse Waste in Composites for Multilayered Armor[J].European Polymer Journal,2016(78):173-185.

[26] RCMP AQUINO,MONTEIRO S N,JRM.D’ALMEIDA.Evalution of the Critical Fiber Length of Piassava (Attalea Funifera) Fibers Using the Pullout test[J].Journal of Materials Ence Letters,2003,22(21):1495-1497.

[27] SN MONTERIRO,FPD LOPES,BARBOSA A P,et al.Natural Lignocellulosic Fibers as Engineering Materials-n Overview[J].Metallurgical & materials TransactionsA ,2011,42(10):2963

[28] DCO NASCINENTO,AS FERREIRA,MONTEIRO S N,et al.Studies on The Characterization of Piassava Fivers and Their Epoxy Composites[J].Composites Part A,2012,43(3):353-362.

[29] JRM D’ALEIDA,RCMP AQUINO,MONTEIRO S N,et al.Tenacidade ao Entalhe Por Impacto Charpy de Compositos de Poliester Reforcados Com Fibras de piacava[J].Material & Compos Part A ,2006,11(3)：204-210