纤维增强复合材料防弹头盔壳体的设计研究

摘要防弹头盔作为头部防护的重要设施，在战争环境中，头部中枢神经是战斗人员的安全基础，可见防弹头盔设施研发的重要性。基于此，文章根据纤维增强复合材料的防护原理，从材料、纤维增强组织、制作工艺三部分入手，对纤维增强复合材料防弹头盔壳体的设计制造进行研究。头盔作为军事活动、野外作业的重要设备，对人体头部具有多维防护效用，以降低伤害。受限于不同的应用场景，头盔发挥的作用具有差异。例如，在战争中，头部是人的中枢系统，一旦受到攻击，将对战斗人员造成致命的伤害。在以往冷兵器时代、现代战争时代，头盔在战场上的重要性不言而喻。在现代化战争中，大部分脱离冷兵器战斗方法，采用各式冲锋枪、步枪等已经成为压制敌人、阻止敌人进攻的重要手段。在瞬息万变的战场中，如果人们头部受到攻击，将大概率造成伤亡问题，特别是在枪械类型、冲击效果不断优化的背景下，对战斗人员造成的损伤相对较高。对此，应加强对防弹头盔的研发，强化头盔的防护性能，满足轻量化的行军及战斗诉求。基于此，文章主要针对防弹头盔壳体进行深入探讨，以供参考。1纤维增强复合材料的防护原理壳体作为头盔防护的基础，基于主体防护功能与人员生命安全之间的关系，对技术工艺、结构设计及材料等提出更高的要求。随着新技术、新材料的不断研发，为兼顾战斗轻量型与防护型特点，防弹头盔壳体材料从初始的金属材料逐渐转变为高强度的纤维复合材料，以提高壳体的基础密度，增强抗冲击性。1.1子弹冲击力量衰减战场上瞬息多变的环境令战斗人员面临加大风险，如果子弹到达头部，会增加人员伤亡概率。纤维增强复合材料防弹头盔可对子弹的高强度冲击力起到对抗作用，对战斗人员头部进行防护。当子弹射击到头盔壳体时，受到结构性阻碍，弹道及冲击力将发生变化，此时力量衰减、子弹路径发生改变，避免人体受到伤害。从攻击原理角度看，子弹高速运动产生的冲击能量与速度成正比，但子弹射击到头盔壳体时，强大的冲击能量作用到头盔壳体的纤维复合材料中，将产生应变能、热能、摩擦等。当复合材料受到冲击时，将吸纳子弹产生的动能，当吸收能量超出复合材料的承载能力时，复合材料的脆性结构将被破坏（此过程材料结构不会发生屈服），头盔壳体外部损伤的表象特征为纤维结构割裂、组织破损。头盔壳体与防弹衣的防弹结构相比，在受到子弹单点冲击时，强大的入侵力道对射入路径方向产生破坏，但是由于复合材料纤维的组织只会产生局部变形，表面的破损面积相对较小。同时，头盔壳体的复合材料分层结构将使材料结构在弹道冲击下产生锥形受力，加大材料内部的受损面。子弹冲击波在纤维复合材料中的力学传递情况如图1所示。高速运动的子弹射到复合材料表面，将对材料表面形成初始压缩波，并以横波、纵波的形式在材料内部进行传导，此时，材料结构对能量波起到阻隔效果，通过纤维组织、复合材料间隙等形成拉伸应变，对冲击力进行对冲，令子弹冲击力在运行路径下产生逐步衰减的效果。同时，纤维复合材料内部的应力变化可通过材料结构起到传递作用，将作用力均匀分散到周边组织结构中，避免出现贯穿损伤。1.2子弹冲击对头部造成影响当前，子弹冲击对人头部造成的损伤大体可分为贯穿式、非贯穿式损伤两种。其中，贯穿式损伤是指子弹的强大冲击力贯穿头盔壳体的复合材料组织，直接作用到人们头部位置，产生头骨破损、撕裂等问题，特别是在穿透力较强的大口径狙击步枪射击中，可能对头盔及头部产生整体贯穿。非贯穿式伤害主要是指子弹冲击力未对复合材料造成穿透性伤害，致使外部材料产生形变及空间位移的现象，对人们头部起到防护作用。文章主要研究子弹对防弹头盔壳体造成的非贯穿式损伤。当人的头部受到子弹冲击时，受到运动状态的干预，当子弹接触到防弹头盔壳体时，并不是以垂直路径为切入点，而是在头部空间移动产生的加速度对攻击路径产生干预，但是强大的冲击力也会对头部产生冲击波的影响，即在子弹不贯穿的前提下，冲击波将对人的头部造成持续性损伤。在外部巨大的冲击下，人们脆弱的颈部可能出现骨折问题。针对防弹头盔壳体的防护性能而言，非贯穿冲击是对战斗人员造成的最低伤害，但是考虑到人们脑部及颈部受到的冲击影响，应对人体承受极限值进行分析，全面映射头部、颈部的损伤点。在此过程中，头部损伤准则是常见的评判标准，对头部加速度产生的力学干预进行线性运算，测评出脑部损伤可能产生的损害系数。例如，欧美国家对战斗人员头部承受值所设定的标准为头部PLA小于300g，且在12min内连续受力时，不得大于150g。2纤维增强复合材料防弹头盔壳体的设计防弹头盔壳体具有较强的结构性能，在设计制造时，应综合界定不同应用场景、结构受力应急变化之间的关系，结合受力参数及材料贯穿临界值，保证材料选定、技术工艺选定的合理性。2.1材料设计目前，纤维复合材料有多种类型，其在抵抗外力冲击下的各项系数存在差异，具体性能如表1所示。从材料角度进行分析，不同材料组成的抵抗系数存在差异，但是从材料逐步优化的角度来讲，不同类别的数据分析及界定是保证材料最终结构确定的关键。对此，选取基础材料时，应从不同性能方面界定材料的使用点，细化运用原则，提高防弹头盔壳体的具体防护性能。2.1.1芳纶材料的选用在实际使用过程中，对位芳纶纤维复合材料的内部分子基链结构较为稳固，聚合能力相对较高，增加了纤维的结构组织性。从基础强度值来看，对位芳纶的强度高于钢丝的5～6倍，且重量远低于钢丝，整体来讲，防护性能相对较高。但是其也存在一定的缺陷，即在紫外线长时间照射下，力学结构性能下降，间接降低头盔的防弹性能。特别是在长时间的野外战斗模式下，太阳光的强烈照射必然加大安全隐患，故不适用于防弹头盔的制作。2.1.2聚乙烯材料的选用此类材料在具体应用过程中，内部UHM分析具有高强度的交互性能，其结晶率最高可达到86%，强度高于钢丝的8～10倍，密度略低于水，在结构组成及安全防护方面具有轻量性的优势。但是此类材料在实际应用过程中，熔点只有160℃，而高速运行子弹在接触到防弹头盔壳体时产生的摩擦力达到的瞬时温度值可能达到200℃，此时由温度诱发的结构组织裂变问题，将会造成基础防护性能失效。选择此类材料时，由于防弹头盔壳体属于分层结构，不同结构之间的契合性及物理属性存在差异，为了增强系统的基础防护效果，可根据不同属性组合运用材料。国外研究学者将碳纤维作为壳体外表面，将对位芳纶作为内表面，二者在受力作用下，不同结构呈现的抵抗特性可形成互补，有效解决对冲问题。同时，也可进一步实现轻量化的设定。在后期复合材料的不断研发下，基础性能也将随之提升，这对于结构防护属性而言，则呈现持续更新属性，需要科研学者大力研发，为社会发展提供有效助力。2.2纤维增强组织从现有的复合材料组成结构看，分层、交互的形式加大组织结构之间的承载力，为进一步强化基础稳固能力，应从防弹头盔壳体的不同受力因素及保护因素为出发点，增强基础防护效能，只有这样才可保证防护结构的稳定性。2.2.1UD结构此类结构的优势是可保证高性能纤维的完整性，这样在受到外力冲击时，可通过一体组织结构增强壳体的抗冲击性。例如，在弹道极限测量时，全纤维结构与其他分散结构相比，冲击抗性高出12.6%。同时，多层架构的UD在组合时形成的板材结构具有高强度属性，整体结构的稳固性使其在具体驱动过程中增加内部纤维材料的抗弯曲强度，如此一来，可对外部弹道的射击路径进行微调，提高防弹头盔壳体的基础防护能力。2.2.2常规结构防弹头盔壳体常规的编排结构以二维平面设定为主，通过横向与纵向的垂直编排，提高材料的组合密度，其中，纤维材料的密度与间距决定防弹材料的结构抗性。此外，也可采用斜纹、缎纹的形式提高二维编织的稳定性，增强力学效果。由二维常规编制衍生出的三维编织形式也可看成常规结构的一种，其将经纬线作为交互编制的立体结构，然后在不同结构组成下调整材料编织厚度，这样一来，可将材料组织从三个维度同步开展而来。此类编织方法可极大地增强层级结构之间的链接性，充分凸显其抵抗性能。此外，头盔壳体的曲面形态也可对子弹的射击路径起到调节作用，再加上头部运动产生的加速度，可改变头盔壳体局部的受力方向，增强基础防护效果。2.3曲面制作工艺2.3.1手糊压模法此类方法是在模具与复合材料之间添设脱模剂、树脂，最后填压尺寸合适的纤维复合材料，并进行整体挤压浸胶处理，反复挤压，提高层间的黏合力，最后放入模具中进行整体塑形，得到成品。此类加工方法具有高精度、高效率的优势，但是仅适用于小型产品的生产制作，大型产品生产中极易产生压实不牢靠的问题，降低产品的稳定性。2.3.2缠绕法此类方法以干式、湿式、半干式缠绕为主，将复合材料控制在一定张力下，在高速运行的模芯上进行均匀缠绕，最后固化脱模。此类工艺方法可以增强纤维的结构连贯性，且节省材料。但是在制作完毕以后，需要去除模芯，故此，不