摘要：在軍事領域，防護裝備對保障部隊安全至關重要，能使士兵在沖突區(qū)域憑借功能性系統(tǒng)勇敢作戰(zhàn)。彈道防護指通過特殊設計的材料和系統(tǒng)，保護穿戴者的身體與頭部、裝甲車輛以及防御設施免受不同尺寸、形狀和沖擊速度的子彈、拋射體及破片傷害。縱觀歷史，人類始終致力于防御各類威脅，如武器和尖銳物品，為此曾使用獸皮、木盾和金屬盾等多種材料作為護具。然而，現(xiàn)代材料科學的進步催生了纖維增強的高性能聚合物復合材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，這類人造纖維增強聚合物復合材料具有耐久性高、剛度強、耐腐蝕以及輕量化等優(yōu)勢，可顯著提升車輛和單兵的機動性與作戰(zhàn)能力。

關鍵詞：國防、纖維增強復合材料。

防彈衣作為一種防護裝備，旨在保護人體在戰(zhàn)爭或其他危險情境中免受子彈及多種高速拋射體的傷害。根據(jù)材料類型，通常分為軟質(zhì)防彈衣和硬質(zhì)防彈衣兩類。硬質(zhì)防彈衣由強化聚合物、金屬板、陶瓷及復合材料等堅固物質(zhì)構成，供軍事人員在高風險任務中抵御高速子彈或拋射體。但其剛性與重量會限制穿戴者的活動范圍。而軟質(zhì)防彈衣因采用多層高性能紡織物，更輕便靈活，適用于安保人員防御手槍、霰彈槍等低速武器攻擊。其防護層通常由20-40層高性能纖維編織物或單向織物縫合而成，雖仍存在一定厚度與重量，但已大幅改善活動受限問題。當前研究聚焦于開發(fā)強韌、輕量且低成本的防彈系統(tǒng)。根據(jù)防彈標準，子彈擊中時必須被阻擋，且對陶瓷背板的穿透深度不得超過1.73英寸。Spectra、Twaron、凱夫拉及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等人造纖維的應用，顯著提升了防彈衣的輕量化與靈活性，突破了傳統(tǒng)金屬材料的局限。例如，Naveen等人采用環(huán)氧樹脂基凱夫拉材料通過手工鋪層與熱壓工藝（105°C、275巴壓力下1小時）制成硬質(zhì)防彈板。Chang等人的研究表明，剪切增稠流體（STF）結構與聚脲彈性體/凱夫拉布復合的裝甲，其抗沖擊性能優(yōu)于傳統(tǒng)凱夫拉織物。此外，高強度復合層壓板比常規(guī)防護材料減重17%，且厚度更薄。

高性能纖維制造技術的前沿突破，推動了具有更強防護能力的先進復合材料發(fā)展。這類復合材料采用混合系統(tǒng)設計，包括合成纖維與天然纖維的層壓組合，以及納米顆粒作為次級添加劑，從而提升彈道性能、增強柔韌性并減輕重量。K?dzierski團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)，UHMWPE/芳綸混雜復合材料中，UHMWPE層表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗彈效能。da Luz的研究對比了兩種硬質(zhì)裝甲材料：UHMWPE合成纖維復合材料與30%菠蘿葉纖維（PALF）增強環(huán)氧復合材料。結果顯示，陶瓷面板配合PALF/環(huán)氧復合結構的抗彈性能與Dyneema板相當。da Silva團隊則研究了紫外線照射對芳綸/卡拉烏纖維混雜復合材料性能的影響（圖1所示為制備流程示意圖）。暴露300至600小時后，材料出現(xiàn)分層、分子鏈斷裂及聚酯樹脂交聯(lián)增強等現(xiàn)象。

圖1. 卡拉烏纖維增強芳綸混雜復合材料制備示意圖

頭盔是另一種專為保護頭部、耳朵和頸部而設計的關鍵防護系統(tǒng)，用于防止子彈穿透以及抵御爆炸物或其他碎裂源產(chǎn)生的破片傷害。此外，頭盔應有效保護大腦免受因彈體通過內(nèi)部泡沫層延遲傳遞能量而造成的創(chuàng)傷性損傷，這種能量傳遞可能導致背面變形（BFD）。過去，鋼材被用于制造保護士兵免受爆炸和子彈等常見威脅的頭盔。然而，其過大的重量成為主要缺點。由于用戶使用問題和新型彈道材料的探索，防御頭盔的組件和設計隨著時間推移不斷變化（如表1所示）。

表1 戰(zhàn)斗彈道頭盔的歷時演進 

文獻已對防護頭盔材料抵抗高能子彈穿透的性能進行了廣泛研究。最常用的芳綸復合材料凱夫拉因其高模量、優(yōu)異的強度重量比和抗沖擊性而成為首選。此外，比凱夫拉更強更輕的新型材料是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。

近年來，現(xiàn)代戰(zhàn)斗頭盔的設計較早期版本發(fā)生了顯著演變。這主要歸功于材料技術的進步。聚合物復合材料頭盔因其更輕的重量和更高的韌性而被開發(fā)出來替代鋼盔。這既提高了士兵在戰(zhàn)斗中的機動效能，又保持了高水平的防護性能。

研究集中在通過改進的纖維增強復合材料和納米技術，在不增加重量的情況下開發(fā)能提高防護性、耐用性和彈道抵抗能力的頭盔。據(jù)報道，Nasser等人研究了氧化鋅改性玻璃纖維增強聚合物基復合材料的彈道性能。玻璃纖維增強復合材料的界面剪切強度因此提高了96%。

納米顆粒由于纖維拔出和斷裂、鍵合形成以及界面力的作用，比宏觀纖維具有更大的能量吸收影響。范德華力和共價鍵提高了顆粒與基體之間的剪切強度和結合力，而宏觀纖維的結合能主要來自靜電力。

納米填料在增強聚合物基納米復合材料的能量吸收方面顯示出巨大潛力。例如二氧化鈦、碳化硅、碳酸鈣、二氧化硅、氧化鋁、碳納米管和有機粘土等。Daungkumsawat等人近期發(fā)表的一項進展涉及由聚（苯并噁嗪-co-聚氨酯）基體制成的納米復合材料，該材料采用芳綸織物和多壁碳納米管（MWCNTs）增強。該研究考察了MWCNTs重量百分比在0%到2%之間變化對頭盔彈道和機械特性的影響。研究結果表明，0.25%的最佳濃度提供了最佳的機械性能，包括提高的拉伸強度、減輕的重量和增強的用戶安全性。

Laurenzi等人的類似工作研究了多壁碳納米管（MWCNTs）對納米結構復合材料抵抗性能的影響。含有0.1 wt% MWCNTs的復合材料表現(xiàn)出44%的能量吸收能力提升，而含有0.5 wt% MWCNTs的復合材料則顯示出56%的增長。這些結果表明，MWCNTs可以極大地增強由凱夫拉K29纖維制成的環(huán)氧復合層壓板的彈道性能。

挑戰(zhàn)和未來發(fā)展
盡管纖維增強聚合物復合材料具有諸多優(yōu)勢，但其應用也面臨一些挑戰(zhàn)。由于彈道威脅的不斷變化，開發(fā)能夠成功抵御新型先進攻擊手段的材料十分困難。由于對手總是在尋找突破現(xiàn)有防御的新方法，實現(xiàn)最佳性能（特別是在韌性、耐用性和能量吸收方面）仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。這需要不斷改進材料的彈道性能。開發(fā)FRP復合材料過程中的主要障礙之一是缺乏對纖維-基體表征的認識。雖然基礎設計和制造技術已經(jīng)具備，但為了在多個學科中應用，需要理解FRPCs組分的重要材料特性。彈道材料技術的發(fā)展至關重要，但可持續(xù)實踐的實施卻很困難。目前FRPCs的回收或處置選擇很少，因為纖維和聚合物基體難以分離，這引發(fā)了環(huán)境問題。需要在性能和生態(tài)因素之間保持平衡，因此需要明智的材料選擇、生產(chǎn)和處置方法。此外，材料和制造成本是原材料中的關鍵問題之一，特別是對于需要芳綸或碳纖維等高性能纖維的高級應用而言，這些材料通常比金屬等傳統(tǒng)材料更昂貴。在高性能材料需求和實用性之間取得平衡具有挑戰(zhàn)性，特別是在需要大量資源的生產(chǎn)過程中。

FRP復合材料的未來為通過克服當前挑戰(zhàn)和利用創(chuàng)新機會來增強彈道性能提供了廣闊前景。復合材料的研究方向集中在減重、改善性能、開發(fā)具有成本效益的制造工藝以及改進回收策略。為了減少FRP復合材料對環(huán)境的影響，可持續(xù)纖維和生物基聚合物的創(chuàng)新也正在研究中。隨著各行各業(yè)繼續(xù)尋找輕質(zhì)、堅固且適應性強的材料，預計FRP復合材料的需求將會增加，其應用范圍也將擴大。將納米技術與復合材料相結合可以增強其強度和能量吸收能力，從而使其更適合抗沖擊應用。這對于頭盔和防彈衣等應用尤為重要。此外，通過集成智能功能（如用于態(tài)勢感知和健康監(jiān)測的傳感器以及夜視裝置）來生產(chǎn)具有更高舒適性和防護性的頭盔，對于軍事和安全用途至關重要。

參考資料：

1、Mona M. Alzahrani, Recent advances of Fiber-reinforced polymer composites for defense innovations, Results in Chemistry, Volume 15, 2025, 102199, ISSN 2211-7156, https://doi.org/10.1016/j.rechem.2025.102199.