防弹衣材料及防护性能研究进展

通过对硬质防弹衣、软质防弹衣、软硬防弹衣以及液体防弹衣防弹机理的研究,厘清研制新型防护材料的需求和发展方向。通过分述高性能纤维复合材料、石墨烯防护材料、聚对苯撑苯并二噁唑纤维复合防弹材料、混杂结构防弹复合材料、无纺布防护材料、液体防护材料的性能特点、结构种类、应用方向、防护效果等,为制作不同功能的防弹衣有效选用不同种类的防护材料提供依据。阐述了各种类型防弹衣的应用前景和发展趋势,充分考虑穿戴者的生理状态、环境变化和袭击威胁等多种情境,概述了现代战争对多功能防弹衣的迫切需求与广泛的应用空间,并结合电子防弹衣、新型智能防弹衣,现代数字化技术不断升级,物联网和智能传感器实时监测技术的未来发展趋势,挖掘和探索防弹衣结构设计、外观设计与内在质量、防护效果的协调作用,实现防弹衣防护效能和穿着舒适美观的统一,为现代新型防弹衣的设计、制造和应用,提供充分的理论支持和实践指导。

软质防弹衣中减凹陷材料和防弹层结构的研究

本论文为实现软质防弹衣的轻量化,并减轻子弹冲击对人体造成的非贯穿性损伤,设计了一种新型的减凹陷片和防弹层叠层方式,并通过弹道测试系统进行打靶测试。结果表明:相比单一的减凹陷片材料,采用复合材料加强的减凹陷片,其减凹陷效果更好,并且,复合材料与减凹陷材料的组合方式影响减凹陷效果;防弹层采用防弹单元面密度阶梯递减的叠层方案,能减小软质防弹衣中防弹层的面密度,实现防弹衣的轻量化,并且,防弹层面密度减小的同时,防弹衣的凹陷值不会增大,大幅度提高了软质防弹衣的防弹性能。

自然老化软质防弹衣对明胶靶标的防护性能试验研究

目的为了研究自然老化防弹衣对人体的防护能力,开展手枪弹对有防护明胶靶标的钝击效应试验。方法通过高速摄影拍摄钝击过程中明胶靶标内瞬时凹陷情况,以此判断自然老化是否影响防弹衣的防护性能。结果试验结果表明,10年自然老化防弹衣防护下的明胶靶标内平均瞬态最大凹陷深度为23.32 mm,平均最大直径为70.08 mm;新软质防弹衣防护下的明胶靶标内平均最大凹陷深度为28.76 mm,平均最大直径为66.59 mm。结论10年自然老化对软质防弹衣的抗弹性能没有显著影响。文中的研究给自然老化软质防弹衣安全使用寿命的延长提供了参考。

基于3D-DIC的UHMWPE软质防弹衣性能测试

软质防弹衣可有效拦截常规手枪弹和低速破片,是警察等执法人员的主要防护装备。为研究某超高分子量聚乙烯(UHMWPE)软质防弹衣在枪弹冲击下的动态力学响应,使用三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,3D-DIC)进行了9 mm手枪弹侵彻软质防弹衣试验。试验获得了软质防弹衣背后鼓包(back face signature,BFS)的变形场、速度场和应变场等数据。结果表明:软质防弹衣在受子弹撞击后1 000μs内BFS高度急剧增加,达到了34.2 mm;随后增长变缓,约在3 000μs时BFS高度达到最大值60.2 mm;BFS形状由最初的四棱锥形变为最后的“金字塔形”;BFS速度在受撞击后200μs内迅速增长,达到最大值约为126.3 m/s,随后缓慢下降并趋向于0;防弹衣背后vonmises应变场分为4个L型区域,应变最大值出现在“L”的拐点处,400μs时防弹衣的最大vonmises应变为0.27。最后,采用改进的Gauss函数对不同时刻的BFS轮廓进行了曲面拟合,为快速估算任意时刻BFS形状提供了一种有效技术手段。

芳纶Ⅲ无纬布在柔性防弹衣中的应用

为了研制轻量化、舒适以及人机工效性好的防弹织物,从提升柔性防弹衣的防弹性能入手,通过对2层芳纶Ⅲ无纬布靶板、4层芳纶Ⅲ无纬布靶板、芳纶Ⅲ机织物靶板、2层芳纶Ⅱ无纬布靶板和4层芳纶Ⅱ无纬布靶板5种防弹材料进行弹道冲击试验,从弹道极限V 50值、比吸能值、凹陷深度及弹着点形貌4个方面进行对比分析,在此基础上对4层芳纶Ⅲ无纬布靶板进行结构优化。结果表明:当面密度相近时,4层纤维铺层材料的防弹性能比2层纤维材料的好;4层芳纶Ⅲ无纬布靶板的防弹性能最好;无纬布在受到弹道冲击时应力集中显著,纤维以剪切断裂为主要损伤模式;机织物在受到弹道冲击时,主要以拉伸断裂为主要损伤模式;将芳纶Ⅲ机织物放置于靶板迎弹面一侧、4层芳纶Ⅲ无纬布放置于贴身面一侧的结构有利于提升复合型防弹材料的防弹性能;当芳纶Ⅲ机织物与4层芳纶Ⅲ无纬布的质量比为1∶3时,其防弹性能最好。

防弹衣及其服用舒适性研究

从材料与工艺两方面出发,探讨防弹衣及其服用舒适性研究进展。通过介绍近年来国内外硬质防弹衣、软质防弹衣和复合型防弹衣的研究现状及其防弹机理,分析各类防弹衣的优缺点及改进方向。系统地介绍了防弹衣用高性能纤维及材料如芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、剪切增稠液防弹材料等的特性及应用现状,以期保证防弹衣创新发展的功能性与适穿性。最后展望了未来的防弹衣研究方向和发展前景,为制备具有轻量化、模块化、多元化、人性化、舒适化的防弹衣提供参考。

中国新能源车出海需穿上碳中和“防弹衣”

做好碳中和,相当于为中国汽车及上游企业出海穿上“防弹衣”,可有效降低以碳门槛为代表的贸易规则带来的风险和损失,为中国企业带来更多的海外市场机会。

利用有限元研究非贯穿弹道冲击防弹衣后人体躯干的力学响应

目的通过建立人体躯干有限元计算模型,对弹头非贯穿性弹道冲击下人体躯干主要脏器的力学响应进行数值模拟。方法利用正常成年男性的CT扫描数据,应用医学图像重建软件Mimics和有限元前处理工具Hy-perMesh进行人体躯干有限元建模,在显式动力有限元分析软件LS-DYNA中对速度为360 m/s的9 mm手枪弹弹头撞击装配有软质防弹衣人体躯干的压力、加速度响应进行数值计算。结果建立了包括胸廓骨骼结构、脏器、纵膈和肌肉/皮肤的人体躯干有限元模型,通过数值计算获得了心脏、肺脏、肝脏、胃的压力响应以及胸骨的加速度响应,发现不同脏器之间或同一脏器的不同位置,离弹头撞击点位置的远近决定了压力峰值的大小和出现压力峰值的时间。结论装配有软质防弹衣的人体躯干有限元计算模型可作为非贯穿弹道冲击下人体力学响应的仿真分析工具,仿真结果可为防弹衣后钝性损伤机制和防护研究提供依据。

枪弹射击致防弹衣后长白猪远达脑组织损伤特点及其机制

目的观察防弹衣后远达脑组织的损伤特点及探讨损伤的生物力学机制。方法 18只雄性长白猪分成假致伤组(n=4),子弹速度910 m/s组(n=6),740 m/s组(n=4)和590 m/s组(n=4)。致伤模型为麻醉后长白猪右侧卧位,胸前包裹外层为防护等级NIJⅢ级陶瓷硬式防弹衣,内层为警用Ⅱ级超高分子聚乙烯软式防弹衣,小口径弹道枪以25 m射距、3种不同弹速瞄准左锁骨中线4、5肋间(心脏窗)射击,假致伤组行空爆弹射击。持续监测致伤前后脑电图、心电图、有创动脉血压、心率、呼吸变化。取伤前,伤后1、2、3 h血浆进行脑损伤标志物检测,伤前及伤后3 h脑脊液进行特异性脑损伤蛋白检测。伤后3 h深麻醉后放血处死动物,取脑组织进行病理检查。另取4只雄性长白猪行生物力学测试,在上述模型基础上于弹着点心前区皮下、心包腔、左侧胸腔、左侧颈总动脉及颅内布放压力传感器,心前区锁骨中线第6肋骨布放加速度传感器及力传感器,测试命中时各部位生物力学参数及持续时间,进行分析。结果 3种不同速度组致伤后2 min内脑电图低频Delta、Theta波定量分析频谱强度幅值与致伤前比较明显降低(P<0.05),降幅约10%,伤后5 min后回升恢复到伤前水平,3种速度组间无显著差异(P>0.05)。伤后3 h光镜下尼氏染色海马存在急性损伤改变,910 m/s组海马神经元胞体萎缩,细胞核大小不等;740 m/s组神经元胞体萎缩,细胞核偏位;590 m/s组神经元轻度肿胀,损伤分级910 m/s组>740 m/s组>590 m/s组>假致伤组。3种速度子弹击中心前区防弹衣时心包腔、胸腔、颈内动脉及颅内压力瞬间急速上升,590 m/s组(23.32±4.41)kPa,740 m/s组(45.52±27.38)kPa,910 m/s组(88.27±8.81)kPa,两两比较3组压力有显著差异(P<0.01)。在外层NIJⅢ内层为警用Ⅱ级防护下,随着子弹速度的增加,长白猪出现中枢神经脑电抑制,在海马区出现中枢神经元变性、脱髓鞘改变,可能产生早期症状及中晚期效应。生物力学检测提示在硬质防弹衣防护下,子弹高速打击长白猪心前区防弹板,使动物产生了较小的位移,瞬间子弹动能由极高降为0。结论子弹制动所释放出的能量通过防弹衣的变形传递给生物体,通过对空腔脏器(肺脏、心脏)冲击及通过骨性传递可以到达远端中枢神经,可能是产生远达损伤的原因。

超高分子量聚乙烯材料软质防弹衣抗弹性能老化衰减规律研究

超高分子量聚乙烯材料目前被广泛用于软质防弹衣,但其老化过程中抗弹性能的衰减规律还不完全清楚,尚未建立定量预测公式。为分析实际使用环境和贮存条件对该类材料软质防弹衣抗弹性能的影响,通过对防弹衣材料进行不同时间的高温、高湿热及氙弧灯光照射等人工加速老化试验,进行弹道极限测试,得到各条件下的弹道极限速度数值,获得不同人工加速老化因素对防弹衣抗弹性能的影响规律。研究发现:高温、高湿热及氙弧灯光照射3种人工加速老化因素对防弹衣防弹性能影响可通过线性回归方程进行较为准确的预测,采用回归分析的方式获得高温、高湿热及氙弧灯光照射3种老化过程中进口和国产两种材料的弹道极限速度衰减经验公式,该公式可以用于估计与判断超高分子量聚乙烯材料软质防弹衣长期贮存情况下是否可以使用。

爆炸冲击波与防弹衣相互作用的数值模拟

为研究穿戴防弹衣情况下爆炸冲击波对人体的作用模式,建立了爆炸冲击波冲击防弹衣的2维和3维数值模型.借助Eulerian和Lagrangian的完全耦合方法,模拟构建爆炸冲击波与防弹衣相互作用所形成的冲击波流场.对冲击波流场的分布情况进行分析,包括冲击波在防弹衣表面的反射,在防弹衣边缘绕射以及在防弹衣与人体之间的传播情况.研究结果表明,在穿戴防弹衣情况下,爆炸冲击波与防弹衣发生相互作用,形成的复杂波系会加重对人体的伤害.

单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应研究

目的:针对单兵面临的穿甲破片威胁,研究单兵防弹衣对穿甲破片的防护问题,为防弹衣论证设计、单兵综合防护和战场救护等相关研究提供支撑。方法:分析单兵防弹衣现状,归纳当前防弹衣采用的主要防弹材料。对穿甲弹击中装甲车辆后形成破片过程进行描述,给出穿甲破片的质量和速度特性规律。以此为基础,采用ANSYS/LSDYNA有限元分析软件,对穿甲破片侵彻防弹衣过程进行仿真,分析其防护效应。结果:穿甲破片能够对单兵防弹衣形成较强冲击,部分破片侵彻防弹衣后,仍能致伤。结论:防弹衣应进一步提高防护能力,应采用软质材料以减少冲击。

基于防弹衣背面动态变形的钝击伤评估

为研究在非贯穿侵彻情况下,防弹衣的钝击效应。运用三维数字图像相关技术对SS109步枪弹侵彻NIJ Ⅲ级Si C/UHMWPE防弹衣进行了试验研究,获得了防弹衣背面变形的全场三维数据。并结合粘性准则和简明等级损伤准则讨论了枪弹侵彻防弹衣后胸部的钝性损伤程度。结果表明:防弹衣背面鼓包的形态类似一个圆锥形,在侵彻过程中平均最大鼓包高度为19.2 mm,平均剩余鼓包高度为16 mm,平均最大变形速度为108.7 m/s。根据试验得到的速度和位移数据,计算得到的VC平均值为4.35 m/s,对应的AIS损伤等级为6。

非贯穿侵彻超高分子量聚乙烯纤维软体防弹衣数值模拟

为研究9 mm手枪弹非贯穿侵彻作用下超高分子量聚乙烯纤维(Ultra High Molecular WeightPolyethylene Fiber,UHMWPE)软体防弹衣的破坏形态,用含损伤的正交各向异性本构模型在LS-DYNA中建立该防弹衣的有限元模型.仿真结果表明:有限元模拟防弹衣的破坏形态与试验结果基本一致;UHMWPE复合材料具有优异的抗弹性能.该数值模拟方法能有效评估和预测复合材料抗弹性能和冲击形态.

基于三维数字图像相关技术的防弹衣性能测试与评估

为分析在非贯穿侵彻情况下防弹衣瞬态力学响应及人体胸部钝性损伤程度,对5.8 mm通用弹侵彻美国司法协会Ⅲ级碳化硅/超高分子量聚乙烯防弹衣进行试验研究。采用三维数字图像相关技术开展试验,获得防弹衣背面鼓包高度和变形速度等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准(AIS)对防弹衣距胸部间隙分别为5 mm和10 mm时进行钝性损伤程度评估。结果显示:在侵彻过程中最大鼓包高度的平均值为22.7 mm,鼓包稳定后高度的平均值为16.3 mm,最大变形速度的平均值为117.7 m/s;当防弹衣距胸部间隙为5 mm时对应的AIS等级为4~5,表明防弹衣后钝击效应仍可对人体造成严重损伤;当间隙扩大到10 mm时AIS等级小于3,表明防弹衣后钝击效应对人体造成轻微损伤甚至不会对人体产生影响。

软质防弹衣的应用研究与发展趋势

基于软质防弹衣的发展与应用背景,介绍了防弹衣的类别,并探讨了软质防弹衣的防弹机制及影响因素。针对软质防弹衣现阶段应用中存在的不耐紫外线、受到湿度及温度的影响等问题,从改性现有材料、优化制备工艺、优化结构设计、开发新材料等方面对未来软质防弹衣的发展做了展望。

防弹衣及防弹用复合材料

本文介绍了防弹衣的研究状况，防弹衣及防弹复合材料的特点、防护目标、种类和防弹机理等。

防弹衣舒适性能改善设计

本文通过对防弹衣的改进研究,探讨了利用经编间隔织物对防弹装备舒适性提高的可行性。用经编间隔织物代替传统防弹衣里料(平纹机织布),并制成成衣。通过红外热成像仪分别测试以经编间隔织物为里料的防弹衣的热湿传导性、透气散热性来探讨经编间隔织物对防弹衣的舒适性能的影响。实验结果表明:在相同测试条件下,以经编间隔织物为里料的防弹衣的热湿传导性能良好,透气散热性优于传统防弹衣1℃左右。因此经编间隔织物对提高防弹衣的舒适性能具有推动作用。本课题的研究意义在于为警用防弹衣的舒适性能提供理论参考,为警察或军队的作战能力提高做出更大的贡献。

防弹衣的防护机理及防护性能分析

防弹衣又称为防弹背心，作为一种单兵防护装具，能在枪林弹雨中防止枪弹和炮弹碎片穿透。调查资料表明，在第一次世界大战中，英国军队在战场上死亡总数的80％是由中速流弹和碎弹片造成的。穿上防弹衣后，可有效地阻挡流弹和碎弹片，伤亡率会降低58％。其中胸部受伤造成的死亡率从30％降到8％，腹部受伤的死亡率从39％降到7％，受保护部位负伤率可降低74％。

防弹衣的服用发展趋势

目前,防弹衣作为一种重要的防护装备,虽然其防弹性能已经得到了较大的提高,但其对使用者的活动和穿着舒适性有较大的限制和影响。因此,对防弹衣减重和舒适性的研究相当迫切。本文对国内外的防弹衣研究进展情况进行了介绍,并对防弹衣减重及舒适性发展的研究和未来趋势进行了探讨。