防弹玻璃.doc

一 防弹玻璃的研究背景 1998年2月9日夜，格鲁吉亚总统谢瓦尔德纳泽在乘一辆奔驰汽车回家途中，突然，从夜色笼罩下的密林里窜出20多个杀手，向总统座车疯狂扫射并投掷手榴弹，汽车伤痕累累，但幸运的是谢瓦尔德纳泽毫发无损！是什么保护总统躲过了这场灾难呢？这要归功于德国政府赠送给他的这辆价值50万美元的奔驰牌防弹汽车。2004年9月10日上午，澳大利亚驻印尼使馆门前发生剧烈大爆炸，爆炸导致周围许多大楼窗户震碎，可是澳大利亚使馆的办公楼的玻璃却损害轻微。馆内工作人员在防弹玻璃的保护下，只受到些轻微伤害。澳驻印尼使馆是澳大利亚在全球最牢固的使馆之一，此次恐怖袭击并未给使馆造成大的伤害，这还得归功于防弹玻璃。防弹玻璃的发明还得追朔到20世纪初的法国，当时法国的一座城市接连发生多起车祸，除了直接死伤外，有相当多的乘客是被飞溅的碎玻璃刺伤的。一位叫贝奈狄特斯的法国科学家注意到乘客被玻璃刺伤的新闻，使他会想起做实验时碰到的一件事。有一次，他在整理化学药品时，不小心把一只药瓶打翻在地。奇怪的是，玻璃药瓶竟没有打碎，只是表面出现些裂纹。他仔细研究了原因，原来这药瓶曾装过三硝酸纤维树脂的溶液，溶液已挥发，在药瓶内壁均匀地附着形成一层薄壁，正是这层薄膜使得瓶子没有摔得玻璃玻璃四溅。这给了贝奈狄特斯一个重要启示：要是在车窗的玻璃里加上一层这样的薄膜，乘客不就能免遭玻璃碎屑飞溅之苦了吗？想到这里，他连夜试验，成功制出了世界上第一块安全玻璃。1随着武器的不断发展，人们的安全也受到越来越大的威胁，解决国家元首及国家重要人物的被武器袭击的问题迫在眉睫。防弹玻璃也在军事上有着非常广泛的应用，随着防弹玻璃研究的不断深入，防弹玻璃在许多场合也有着很广泛的引用，例如防弹门窗等等。也在一定程度上保障了我们的生命财产安全。二 国内外研究现状 防弹玻璃最初应用在飞机的前风挡及尾舱观察窗,后来发展到军用设施和军用车辆上。银行防弹玻璃的应用始于美国,后来欧洲国家也相继开始在银行的营业柜台应用。我国防弹玻璃的生产和应用是20世纪60年代开始的,最早主要是在飞机上。银行防弹玻璃的应用是1994年才真正开始的,最初在中国银行系统开始推广,紧接着被其他银行系统广泛采用。防弹玻璃一经应用就受到了广大金融保卫工作者和营业人员的青睐,很快得到金融业和公安部门的认可。现在不仅成为银行营业柜台和橱窗上的安全屏障,也被其他一些营业场所,诸如保险、证券、邮政、电信、铁路、民航、电业、博物馆等营业场所看中。防弹玻璃是从夹层玻璃发展而来的。夹层玻璃是英国人在1905年首先发明的,首次使用是在第一次世界大战期间。第二次世界大战中人们开始用夹层玻璃技术生产防弹玻璃,并在军用设施上开始使用。随着有机材料的发展和人工合成树脂的出现,人们开始使用性能良好合成树脂制造夹层玻璃,如聚乙烯醇缩丁醛中间膜(Polyvinglbutyral简称PVB)，就是一种各方面性能较好的合成树脂材料。合成树脂被广泛应用于夹层玻璃和防弹玻璃的制造。防弹玻璃的结构也随着人们对其认识的提高而改变,在最初玻璃的结构多以对称结构制造。当时主要考虑的是安装方便,不会因为安装不当影响防弹效果,到现在还有一部分厂家生产这种结构的防弹玻璃。后来随着对防弹玻璃研制的不断深入和认识的提高,人们逐渐采用降幂排列的结构形式生产防弹玻璃,使玻璃在同等厚度的情况下防弹能力大大提高。2三. 防弹玻璃的生产方法及其特性就达到玻璃能防枪弹射击的目的而言,大多数透明材料经加工处理并且达到一定的厚度都可以具有一定的防弹能力。但综合使用寿命、工业化程度、成本构成等因素的影响,目前大多数生产防弹玻璃的材料是无机玻璃与有机材料复合而成的。主要有以下几种形式: (1)浮法玻璃与PVB中间膜的夹层复合该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体,形成具有防弹能力的玻璃。这种方法生产的防弹玻璃也叫PVB夹层防弹玻璃。由于浮法玻璃的光学性能非常好,PVB胶片的塑性也非常好,二者的有机结合使玻璃整体的光学性能非常优秀,并表现出良好的抗冲击性能。这种防弹玻璃的优点是耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护;缺点是体积质量大,适合于安装于固定的场所使用,这也是大部分银行营业柜台都采用这种防弹玻璃的缘故。 （2）夹层玻璃与有机透明板叠加或复合 这种防弹玻璃曾经有两种形式,一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材,夹层玻璃与有机透明板之间形成一厚度约610 mm的间隙,夹层玻璃置于有机透明板之前,即夹层玻璃作为着弹层,这是叠加方式。另一种是玻璃与聚碳酸脂板(PC板)直接复合为防弹玻璃,粘接材料为聚氨脂膜(PU膜),生产工艺方法与PVB夹层法类似,这是复合方式。这种生产方式不便于大批量生产。上述两种方法由于使用了较多的有机材料,与PVB玻璃相比有以下特点:第一,体积质量小,在相同厚度或相同质量的情况下防弹能力强;第二,该种防弹玻璃在受到枪击时只要不被子弹穿透就不会有飞溅物产生;第三,有机材料的刚性远不及玻璃,由于有机材料的热膨胀系数与玻璃不同,易产生变形,光学性能也不易控制;第四,有机材料直接暴露于大气中易被老化,材料表面硬度低极易被划伤,因此使用寿命较短。此外,这种防弹玻璃的成本非常高,一般在车辆、船舶、飞机上使用。 (3)在无机玻璃上粘贴薄膜 在无机玻璃表面上粘贴专用薄膜也可以使玻璃具有一定的防弹能力,这种玻璃也称贴膜玻璃。它是将厚度为0. 10. 3mm其中一面涂有不干胶的薄膜在以水为排气介质下粘贴到玻璃表面而形成的。贴膜玻璃作防弹玻璃存在着防弹能力差、边部强度明显不足、易老化、易被划伤(尽管在膜层表面镀有硅化合物保护膜)、使用寿命短等缺点。这种防弹玻璃制造比较方便、成本较低,在国外一般用于窗玻璃的安全保护。 (4)其它方法 用其它方法制作的防弹玻璃通常应用于特殊领域,例如航空、航天特种实验室等。 上世纪90年代末期,我国防弹玻璃的生产方法曾出现过的几种形式:玻璃表面贴膜、在玻璃中间灌注有机单体材料然后聚合(即湿法夹层工艺)、用夹层玻璃与有机透明材料叠加等。这些方法生产的产品均由于有机材料的耐久性不良和成本较高等原因被淘汰。目前几乎所有的防弹玻璃生产均采用浮法玻璃与PVB中间膜相复合、夹层玻璃与聚碳酸酯板(Polycarbonate也称PC板)相复合的方法生产。四. 影响玻璃防弹能力的因素 玻璃的防弹能力受很多因素的影响,有效地控制这些因素对选择和制造防弹玻璃是很重要的。 (1)用相同材料制造的防弹玻璃其厚度对防弹能力影响最大。玻璃的厚度越厚防弹能力越强。因为材料的承压能力的增加与厚度呈指数关系增加。 (2)玻璃的防弹能力受材料性质的影响。在其他条件相同的情况下材料强度越大,形成的玻璃的防弹能力越强。如使用聚碳酸酯板制造的防弹玻璃比用有机玻璃制造的防弹玻璃的防弹能力强,因为聚碳酸酯的强度比有机玻璃高得多。 (3)材料的组合方式对防弹能力有较大的影响作用。有机板材和无机玻璃的组合中在一定程度上有机材料所占的比例越大防弹能力越强;用PVB胶片生产的夹层防弹玻璃其单片无机玻璃的排列从弹着面到背弹面的厚度逐渐减少时,其防弹能力会有所增加,特别是在最后面的一层玻璃越薄其防弹效果越好,因为这样排列可以减少飞溅物,从而减少二次伤害程度。 (4)枪弹射击的入射角越大玻璃防弹效果越好。随着射击入射角的增加,玻璃对冲击能量的分散越多,从而减少了对玻璃的破坏程度。 (5)玻璃的尺寸越大防弹能力越强。玻璃的尺寸越大,玻璃在受到冲击时所产生的弹性变形越大,玻璃吸收的冲击能量转换成弹性能越多,对玻璃的破坏力越小。 (6)玻璃的安装方式对防弹能力也有影响。玻璃周边被牢固的固定,当玻璃受到冲击时其弹性变形会受到限制,防弹能力会受到不良影响,防弹能力就会下降。同样安装时玻璃周边如果与边框的接触为非弹性接触其防弹能力也会下降五. 防弹玻璃标准 在国际上,由于发达国家对防弹玻璃的使用和制造起步比较早,有关防弹玻璃的标准也比较完善。我国最早的防弹玻璃标准是1997年颁布实施的公共安全行业标准GA 165防弹复合玻璃, 1999年颁布实施了GB 17840防弹玻璃。该标准非等效采用了美国UL 752: 1995防弹玻璃标准、并参照了英国BS 5051: 1998防弹玻璃、美国ASTM 1233:1995防弹玻璃材料和系统的实验方法而制定。国际和国内标准中均对防弹玻璃的防弹能力做了详细的规定,表1是各国防弹玻璃标准中规定的有关性能参数,对玻璃的防弹等级、枪械型号、子弹速度重量能量、射击距离、射击频次等内容作了汇总 国家标准中将玻璃的防护等级分为5级,从小到大排列依次是F64、F54、F79、F56、FJ79,分别代表防64式手枪、防54式手枪、防79式微型冲锋枪、防56式冲锋枪、防79式半自动步枪。又将玻璃被枪弹冲击后对人体免受伤害的程序分为三类即L、M、H类, L、M、H分别是英文Low、M iddle、High的第一个字母,L类最低、H类最高。L、M、H类防弹玻璃的定义分别是: L类防弹玻璃要求玻璃能够阻挡弹头穿透,受冲击玻璃背面的飞溅物不应穿透测试卡;M类防弹玻璃要求玻璃能够阻挡弹头穿透,受冲击玻璃背面有飞溅物但飞溅物不应嵌入测试卡;H类防弹玻璃要求玻璃能够阻挡弹头穿透,受冲击玻璃背面无碎片剥落。测试卡是模似人的皮肤抵抗外来物冲击的能力而选定的,不能穿透测试卡的飞溅物也不会对人体造成致命伤害。防弹玻璃根据对枪弹的抵抗能力的不同一般分为生命安全型和安全型两种,生命安全型防弹玻璃仅仅能够使被保护人的生命不受到伤害,玻璃飞溅物的存在有可能使人的皮肤、面部受到伤害。安全型防弹玻璃能够保证被保护人不受到任何伤害。L类防弹玻璃属于生命安全型防弹玻璃,而M、H类防弹玻璃属于安全型防弹玻璃。防弹玻璃除防弹性能外,其他性能如透光性能、耐环境稳定性能在使用中也非常重要,GB 17840防弹玻璃中也进行了明确的规定。 防弹玻璃的选择 要安全可靠的使用防弹玻璃,使防弹玻璃发挥良好作用,在选择防弹玻璃时应注意以下几点。 首先,必须确定防弹玻璃的等级。根据需要保护场所的重要程度和可能受到袭击的武器威力合理选择好防弹等级。 其次,确定防弹玻璃的类别。一般应选择H类或M类防弹玻璃,因为它属于安全型玻璃,他的安全性更好。 第三,应选择好防弹玻璃的基本材料。用在汽车、火车上的玻璃最好选择用夹层玻璃与有机透明板复合的防弹玻璃,因为要达到相同防弹能力使用这种玻璃的重量较轻,但价格昂贵。用在银行柜台、文物展台、射击场等场所的玻璃最好选择浮法玻璃与PVB复合的防弹玻璃。 第四,要确定玻璃的透光范围,用于营业柜台上的玻璃一般都是透明的,透光度6582%之间,这样玻璃的通透性好,营业人员和顾客便于沟通。用于窗上的玻璃可以采用由热反射玻璃单片组成的防弹玻璃,因为防弹玻璃都是固定安装的不能开启通风,使用热反射防弹玻璃可以减少太阳能进入室内，减少室内空调负荷增加舒适度。 第五,选择合适的尺寸。2 六关于新型防弹玻璃的研究 4 单层透明材料很难满足防弹要求。因此必须走层合的技术路线。层合玻璃一般是由面板、背板以及起粘接作用的中间层组成,其防弹原理是利用硬而脆的面板受冲击后破裂来吸收一部分入射能量,继而通过中间层和背板的变形来吸收剩余能量。本研究首次将聚碳酸酯(PC)用于航空防弹玻璃的结构材料,通过改变PC与其它透明材料的组合结构,设计并制造出不同面密度的防弹试样,然后进行光学 性能和防弹性能测试,对轻型防弹玻璃进行结构优化研究。同时还研究了间隙装甲结构和抗多发子弹的设计。本研究不仅适用于航空如直升机用的透明件,而且将在汽车、建筑及金融等涉及到安全防弹玻璃领域获得广泛的应用。6. PC层合结构对防弹玻璃性能影响6.1.1单层刚性透明材料5mm物理钢化玻璃; 5mm化学钢化玻璃; 5, 6,8, 10mm无机退火玻璃(G); 5, 10mm定向有机玻璃(DYB); 3, 6, 12. 7mm聚碳酸酯(PC)。6.1.2模具制作按结构设计要求,将单层刚性透明材料组合在一起(用PVB胶条封边和控制厚度)。6.1.3中间层浇铸料的合成与防弹玻璃的制造6.1.3.1原料 聚醚二元醇: Du Pont公司;异氰酸酯: Hls公司;丁二醇:北京化学试剂公司;其它如催化剂等。6.1.3.2防弹玻璃的制备采用洁净室合片工艺制备防弹玻璃。普通夹胶玻璃的制备方式基本相同，采用此种工艺方法 可操作性强，且对制品透光度的影响极小。具体制备过程如图1 所示。制备过程中，要求对合片和蒸压两道工序进行严格控制。 合片室环境温度要求控制在( 222) ，湿度不大于 50%; 室内应保持清洁，洁净度达到万级以上，操作 时应穿上专用工作服，避免在合片过程中引入杂质。 蒸压工序要求于压力釜中在105 下保压一定时间以上。 按图 1 中工序制备获得的防弹样品，应保证表面无裂纹，夹层无气泡方为合格品。 6.1.4防弹玻璃的面密度、光学性能和防弹性能测试面密度是单位面积下试样的质量,采用称量法测试。( 1)光学性能(包括透光率和雾度)采用XL-221按HB2410进行测试。( 2) 面密度测试面密度是指单位面积下防弹玻璃试样的质量，采用称量法测试。( 3) 防弹性能测试 测试标准: GA1651997防弹复合玻璃、GA1642005专用运钞车防护技术条件、GJB30301997装 甲车辆用防弹玻璃规范。6.1.5实验结果与讨论 (1)聚碳酸酯(PC)与定向有机玻璃(DYB)的防弹性能比较轻质防弹玻璃必须使用密度小的有机透明材料以适应减重要求。常用的有机透明材料主要有聚碳酸酯(PC)和有机玻璃。PC的冲击强度在所有的透明材料中是最高的(PC的Izod缺口冲击强度是DYB的10倍)。表1所示是PC和DYB的防弹性能比较。实验采用钢珠作为子弹,结果表明3mmPC和10mmPC的防弹性能相当。说明PC适合于轻质防弹玻璃轻重量、高性能要求。6.2 多层层合制品的防弹性能 将多层层合防弹玻璃细分为: 面层材料+夹层材料+背板材料。 表3为同厚度不同结构的4 种防弹样件。分析表 3 中数据可知，4 种结构的样件实际厚度基本保持在 170 mm02 mm 范围内，层合之后与理论 值相差在 0406 mm 之间，这是因为结构中胶片层( PU 和 PVB) 厚度不一致，蒸压过程中由于高温和一定的压力作用，热塑性材料的PVB 和PU 将会有一定程度的收缩，导致样件尺寸的收缩差异性。又由表4 中数 据可知，4 种结构的样件透光度测试结果相差不大，样件 5 与样件 6 相对而言较小，是由于 PC 作为面层材料 和 PC 的厚度在一定成都上影响了制品的透光度。面密度测试结果可以看出，四者相差不大，以样件 5 最小，而样件7 最大，这是由于样件 5 中含有多层高分子材料，且 PC 厚度为 6 mm 区别于其余 3 种样品 3 mm， 而样件 7 结构中含高分子材料相对较少，导致其面密度较大。 表 4 为表 3 中的防弹样件的透光度和面密度测试结果。表 5 为表 3 中的防弹样件的测试结果，测试采用标准为 GA1651997防弹复合玻璃。由表5中数据可知: 样6在测试的第3发子弹时出现穿透情况; 样件 4 与样件 5 在 3 发子弹射击后，未击穿，但是背弹面出现大量的飞溅物，并击穿瓦楞纸卡片; 样件 7 测试后，样件未穿透，且背面平整光滑。结合表 3、表 4 与表 5 中数据，分析可得:样件 4 与样件 5，面层材料与背层材料一致，区别在于夹层结构 中 PC 材料的厚度，两者防弹性能均不理想，由此可知，以不同厚度 PC 作为夹层材料，对防弹玻璃的防弹性 能影响不大。分析其原因为，子弹作用于试样表面时，防弹试件需要通过表面的破裂和一定的形变两个方面 同时作用来消耗子弹的动能，而该两种试样的结构中作为面层和背层的无机玻璃虽具有高强度，但其韧性低的特性不仅自身无法发生形变( 微小形变后直接破碎) ，同时也限制了夹层中PC材料的形变，导致夹层中 PC 材料的高韧性缓冲作用无法实现，因此，改变PC材料的厚度难以达到提升防弹制品防弹性能的目的。 对比样件4、样件6及样件7可知，三者结构中均采用了3 mm PC，不同点在于 PC 在防弹样件中的所处 位置。由测试结果分析可知，仅样件 7 能够很好的满足相应的防弹测试标准要求(如图2所示) ，其余两者均为达标。这是因为:当 PC 作为面层材料时，子弹以高速作用于其表面，PC 中的柔性链段还来不及反应，导致材料宏观上 呈现刚性，而此时 PC 材料作为刚性材料的表面强度远低于无机玻璃，因此，子弹将直接穿过 PC 层，而不发 生弹头钝化，不利于子弹功能的消耗;同样，通过样件 6 与样件 4 的正面弹伤对比，亦可以印证上述说法。 当 PC 作为背层材料( 样件 7) 时，分析表 5 中正面弹伤深度可以发现，防弹测试过程中弹头并未穿透 无机玻璃，与 PC 之间不存在直接作用，因此，PC 的高冲击韧性能够得以实现，在试件的防弹过程中，一方面 PC 通过自身的形变提供缓冲作用，延长子弹与无机玻璃的作用时间;另一方面，PC 材料具有一定的强度，能 够对无机玻璃起到维形和保护的作用，同时防止玻璃碎片的穿透。因此，选用 PC 作为背板材料时，能够显 著提升防弹制品的防弹性能，达到理想的防弹要求。36.2.2PC和无机玻璃的不同组合对防弹性能和面密度的影响PC符合轻质防弹要求。但单纯的PC防不住高速的真实子弹。这是由于手枪或步枪射出的子弹体积小(尖锐体)、硬度高、速度快,而PC是高分子材料,在极短的时间内,其高分子链段可能来不及反应,就被子弹穿透。根据防弹理论,理想的防弹材料应该既有硬度又有韧性3,而PC虽然韧性好,但硬度低,因此表2中纯PC结构(PC6/PC6)不能防54式手枪弹。同样,纯粹无机玻璃结构(G6/G6)的防弹性能也不好,这是由于无机玻璃虽硬度高但韧性很低。而表2中以无机玻璃为面板, PC为背板的G6/PC6结构却具有最好的防弹性能。这是由于该结构兼有无机玻璃和PC的优点。无机玻璃的硬度高,当子弹撞击它时,会使子弹发生钝化(改变尖锐的外形),同时无机玻璃破裂也消耗一部分入射能量,剩余能量正好通过PC板的高冲击韧性(变形)得以消耗。表2中的全无机构G6/G8也可以防住54式手枪弹,防弹水平相当于G6/PC6,但其面密度为36kg /m,比G6/PC6的面密度大50%以上;而且全无机结构受弹击以后,背面有可以伤人的玻璃碎片溅出。因此以硬度高的材料如无机玻璃为面板,以韧性好的材料如PC为背板的“硬-韧”结构G /PC,在减重和防弹效果上,均优于其它结构。6.2.3不同面板材料对防弹性能的影响表3所示的防弹玻璃都是以三层6mm的PC作为背板材料,面板材料分别采用无机玻璃(包括普通退火玻璃、物理钢化玻璃和化学钢化玻璃)和有机玻璃。结果表明以无机玻璃为面板的层合玻璃防弹能力高于有机玻璃为面板的层合玻璃,这是由于无机玻璃的硬度和模量比有机玻璃高,因此它更有利于子弹的钝化和减速,从而可以耗散更多的能量。表3同时表明,采用不同的无机玻璃作面板对防弹性能影响不大。虽然从强度上来看,化学钢化玻璃物理钢化玻璃普通退火玻璃,但是作为防弹材料,它们并无太大差别,这是由于尽管玻璃钢化后强度可以提高5倍以上,但其硬度和模量变化不大4,而防弹性能主要与材料的硬度和韧性有关,与强度无直接关系。因此从防弹角度讲,钢化玻璃并无明显优势。而且钢化玻璃在破坏以后,视野会完全或部分失去,不利于驾驶员的安全。6.2.4不同的背板材料对防弹性能的影响由前面的分析可知,以无机玻璃为面板比较理想。表4列出了不同背板材料对防弹性能的影响。按防弹能力排序为:G10/G10/DYB12/DYB12G10/G10/PC12. 7/PC12. 7G10/G10/DYB12 /PC12. 7显然以纯PC /PC作为背板的防弹性能不如定向有机玻璃/PC,这种结果似乎与表1不一致,在表1中PC的抗弹性能远大于DYB。根据PC和DYB的弹击破坏特征,可以看出PC主要是通过受冲击后产生大的塑性变形(鼓包)来吸收能量,而DYB则是通过自身的破裂来吸收能量。当单层PC与DYB比较时, PC板的变形不受限制,而这种变形所吸收的能量,远大于DYB通过破裂所吸收的能量,因此单层PC的抗弹性能远大于DYB,但表4中的G10/G10/PC12. 7/PC12. 7,由于PC12. 7处在夹层中间,其变形能力受到限制,当它受到冲击时,无法象单层那样通过大的变形来吸收能量,因此抗弹性能降低;而G10/G10/DYB12/PC12. 7中的DYB12尽管处在夹层中间,但由于它主要不是通过变形而是通过破裂来吸收能量,因此防弹作用不受影响,而DYB硬度(洛氏硬度为98)又比PC (洛氏硬度为78)高,因此G10/G10/DYB12/PC12. 7防弹性能好。6.2.5与传统防弹玻璃的综合性