背板结构对防弹插板抗多发打击性能影响分析

Analysis of the Influence of Backplate Structure on the Multi-Hit Performance of Bulletproof

摘要: 采用7.62 × 51 mm NATO M80弹对碳化硼防弹插板进行3发打击，分析不同芳纶 + 超高分子量聚乙烯纤维(PE)的组合背板结构对插板抗多发弹性能的影响。分析了胶泥凹陷、碳化硼陶瓷和PE背板损伤特点，结果表明三种结构的插板均未发生穿透，厚的芳纶背板对陶瓷支撑作用更好，陶瓷损伤相对小，胶泥凹陷呈递减趋势；随着芳纶背板厚度降低，PE损伤模式由分层破坏为主演变为冲塞破坏和分层损伤同时出现。芳纶、PE背板的组合优化可以进一步提升防弹插板的抗多发性能。

Abstract: Influence of backplate structures combining aramid and ultra-high molecular weight polyethylene (PE) on the multi-hit performance of bulletproof was investigated by three shots of 7.62 × 51 mm NATO M80 ammunition. The characteristics of the clay backface deformation, boron carbide ceramic damage, and PE backing damage were analyzed. The results indicated that none of the three bulletproof structures were penetrated. Thicker aramid backing provided better support for the ceramic, resulting in relatively less ceramic damage and a decreasing trend in clay backface deformation. As the thickness of the aramid backing decreased, the PE damage mode evolved from primarily delamination to the simultaneous occurrence of plugging failure and delamination. Optimizing the combination of aramid and PE backing can further enhance the multi-hit ballistic performance of the bulletproof.

1. 引言

防护领域是国防装备的重要组成部分，高等级防护与轻量化要求是防护装备的重点发展方向。2023年美国NIJ0101.07标准对防弹衣标准进行了更新和升级，其中RF1-RF3为小口径步枪弹威胁，需采用硬质防弹插板来实现有效防护[1] [2]，RF2-RF3级需用陶瓷防弹插板防护。目前防护市场上的陶瓷防弹插板主要有拼接陶瓷、整板陶瓷防弹插板两类，整板陶瓷制造的防弹插板相对拼接插板具有无拼接缝、防护面积100%的优点，在防护市场上受到欢迎。

陶瓷防弹插板结构通常为“三明治”式多层结构，常用防弹陶瓷材料主要有碳化硼(B₄C)、碳化硅(SiC)和氧化铝(Al₂O₃)三种，其中B₄C密度最小，比模量高，防弹性能好，可以兼顾轻量化和高防护的需求。背板材料是陶瓷防弹插板中重要的组成部分，常采用单一复材如芳纶、超高分子量聚乙烯纤维板(PE)或芳纶 + PE的组合式背板结构。王华等[3]研究了以芳纶作为单一背板的碳化硼插板抗多发性能，发现芳纶作为背板仅可以防一至两发M80子弹的冲击。崔凤单等[4]研究了碳化硼陶瓷/PE复合插板的防弹性能，能防住3发87式5.8 mm钢芯弹打击。程时雨等[5]比较研究了按照芳纶–陶瓷–芳纶-PE结构复合的碳化硼陶瓷插板的抗多发打击性能，结果表明复相增韧碳化硼和传统单相碳化硼相比在防多发弹上具有优势。聂嘉兴等[6]研究了高温对碳化硼防弹插板防弹性能的影响，高温下弹击瞬间凹陷值变大，主要受PE板在高温下软化性能衰减导致。

PE板是防弹插板结构系统中必不可少的部分，相对芳纶纤维具有高强度、低密度、防护性能好的特点，仅采用PE作为背板又存在插板整体刚度不足的问题。因此在结构设计时加入芳纶[7]-[9]、碳纤维板-[12]来提升结构的防弹性能。大量针对装甲的研究表明在陶瓷和纤维背板结构中引入中间层可以提高装甲的抗弹刚度梯度，进而改善弹体与背板结构之间的应力波传播形式 [13]-[16]。目前插板研究主要集中在对陶瓷[4] [5] [17] [18]、PE [6] [19]-[21]两个部分的研究，缺少对陶瓷和PE之间的“夹心”背板对插板抗弹性能影响的研究。本文采用热塑芳纶片材料作为“夹心”背板，制备具有相同面密度的碳化硼防弹插板，研究“夹心”背板刚度对碳化硼防弹插板抗多发性能的影响。

2. 实验部分

2.1. 实验材料

多曲面碳化硼陶瓷，密度2.85 g/cm³，复相增韧陶瓷，投影尺寸为325 × 260 mm，厚度5.9 mm；热塑性胶膜，面密度110 g/m²；芳纶止裂层采用0.5 mm热塑性芳纶片，芳纶纤维强度为21 cN/dtex；PE背板，采用面密度126 g/m²超高分子量聚乙烯纤维UD预浸料压制，厚度为6、7.7、8.4 mm，纤维强度为38 cN/dtex；芳纶背板采用厚度3、1.5、1 mm热塑性芳纶片，纤维强度与止裂层一致。

2.2. 碳化硼防弹插板制备

本研究采用多曲面碳化硼陶瓷整板制备防弹插板，3种结构均设计为面密度28 kg/m²，按照芳纶片、陶瓷、芳纶背板、PE背板的结构顺序进行叠片，热压罐压力为0.8 MPa，保温时间2 h，复合后PE板凹面粘附3 mm厚度发泡PP缓冲材料，插板表面采用黑色包布包覆，具体结构如图1所示，三个插板结构材料参数如表1所示。

Figure 1. Schematic diagram of the bulletproof structure

图1. 防弹插板结构示意图

Table 1. Structural parameters of bulletproof structure

表1. 防弹插板结构参数

样品编号	芳纶止裂层mm	陶瓷mm	芳纶背板mm	PE背板mm
S-1	0.5	6	3	6
S-2	0.5	6	1.5	7.7
S-3	0.5	6	1	8.4

2.3. 打靶测试

抗弹性能试验在兵器五二所毁伤与防护测试中心进行，在常温条件下将插板样品与胶泥紧贴，15 m射距0˚射角，每块样品射击3发7.62 × 51 mm NATO FMJ M80弹，弹速847 ± 9 m/s。射击试验后采用单尖头数显卡尺按照GA141-2010《警用防弹衣》标准，测量每个弹着点位置胶泥的凹陷深度来分析插板抗多发弹打击性能。

3. 结果与分析

3块插板的穿透情况及背板胶泥瞬间凹陷如表2所示，所有弹速均在847 ± 9 m/s范围之内，插板都未出现穿透情况。S-1插板第一发胶泥瞬间凹陷超过了44 mm，S-2、S-3插板三发均未超过44 mm，满足NIJ0101.07标准对凹陷值的要求。S-1、S-2两块插板三发子弹瞬间凹陷呈递减关系，第3发凹陷值最小，而S-3插板凹陷值差异较小，呈递增趋势。三块插板弹击后损伤结果如图2所示，可以看出弹击后插板迎弹面破坏较小，背弹面泡沫和包布严重破坏，PE受子弹冲击形成凸起鼓包，外观看陶瓷与背板无明显分离。

Table 2. Results of ballistic test

表2. 防弹插板打靶测试结果

编号	环境状态	弹速(m/s)	穿透情况	胶泥瞬间凹陷(mm)	凹陷平均值(mm)
S-1	常温	845	无	45	41.7
		843	无	43
		840	无	37
S-2	常温	839	无	44	40
		843	无	41
		840	无	35
S-3	常温	847	无	39	41
		851	无	42
		842	无	42

Figure 2. Damage status of inserts after ballistic impact: (a~c) Strike face photographs; (d~f) Rear face photographs

图2. 插板弹击后损伤情况：(a~c) 迎弹面照片；(d~f) 背弹面照片

对三块插板进行拆解，图3、图4分别为陶瓷和PE的损伤情况。从图3(a)可以看出，S-1靶板陶瓷保持完整的状态，迎弹面放射状裂纹较少，拆解发现陶瓷与芳纶背板未发生界面脱粘，反而是在芳纶背板与PE板之间发生界面局部脱粘。S-2靶板在去除止裂层芳纶片后，部分陶瓷与芳纶背板分离，说明弹击临近区域陶瓷受冲击后脱粘，从图3(b)可以看出弹着点附近依然保持较大尺寸陶瓷，第3发位置保持完整的陶瓷块大于第2发位置。上述分析说明S-1、S-2靶板背板支撑良好，子弹连续打击后陶瓷裂纹扩展区域小，因此后两发弹位置凹陷呈现递减趋势。拆解S-3靶板后发现陶瓷与芳纶背板之间发生脱粘，图3(c)为其陶瓷背弹面，可以看出第1发弹着点位置呈完整的陶瓷破碎锥，尺寸为40 mm，而第2、3发弹着点陶瓷破碎锥尺寸明显小于第1发，破碎锥尺寸分别为37、36 mm，并且破碎锥边界处部分出现直边，说明受第一发子弹冲击产生的裂纹已扩展到第2、3发弹着点附近，阻碍了后续两发陶瓷破碎锥的形成，造成陶瓷对后续打击子弹动能的吸收弱于第1发[4]，同时陶瓷与背板脱粘导致二者之间存在空隙，对陶瓷的支撑降低，导致第2、第3发侵彻后的凹陷持续变大，这与文献[5] [6] [19] [22]报道的凹陷呈递增的趋势结果一致。

Figure 3. Documentation of ceramic damage post-ballistic impact

图3. 弹击后陶瓷的损伤照片

进一步对拆解出来的PE背板进行分析，图4为弹击后PE损伤情况。PE背板通过纤维断裂、拉伸变形来吸收子弹的剩余动能和破碎陶瓷的冲击，其中拉伸变形是PE耗散冲击动能的主要模式[23] [24]。图4(a)~(c)可以看出三块靶板的PE背板上都出现了明显的侵蚀弹坑，破碎陶瓷呈粉末状。其中，S-1、S-2、S-3靶板侵彻平均深度分别为0.3、1.5、4 mm，图4(d)~(f)可以看出S-1、S-2靶板PE在后2发位置比S-3向中心收缩更大，说明PE中的纤维发生了更大的塑性拉伸变形。为进一步研究PE的损伤模式，对三块靶板第一发弹击区域PE进行剖切，图5(a)可以看出S-1靶板PE表层纤维被剪切破坏，在远离弹击区域纵向尺寸超过PE板原有厚度，PE凸起变形高度为9 mm，PE板产生了分层失效，这可以消除在PE厚度方向上的压缩应力梯度，避免PE被侵彻穿透。图5(b)、图5(c)可以看出S-2、S-3靶板PE均发生了明显的冲塞剪切破坏和分层，PE凸起变形高度为8 mm、6 mm，S-3的PE冲塞深度和分层现象更为显著。

从上述分析可以看出，迎弹面碳化硼陶瓷主要通过破碎弹丸和陶瓷碎裂来吸收子弹冲击动能，在陶瓷不变的情况下改变背板的结构组合，较厚的芳纶板可以对陶瓷提供更好的支撑，在受多发弹冲击时抑制陶瓷裂纹扩展，从而吸收更多的冲击动能；同时较厚的芳纶板可以更有效地捕捉陶瓷碎片，减少对PE背板的冲击损伤。芳纶板的波阻抗大于PE板，作为夹心背板可以降低陶瓷与背板之间界面应力波反射系数，而较厚的芳纶板会增加应力波传播时间，延缓陶瓷碎裂。后续工作可以通过有限元仿真结合试验进一步优化背板结构设计，提高碳化硼防弹插板的抗多发弹性能。

Figure 4. Damage assessment of PE post-ballistic impact: (a~c) Strike face;(d~f) Rear face

图4. 弹击后PE损伤情况：(a~c) 迎弹面；(d~f) PE背面

Figure 5. Cross-sectional view of the first-impact zone in PE backing specimens

图5. PE背板第一发弹击区横截面剖切照片

4. 结论

对具有相同面密度不同背板结构的碳化硼防弹插板进行多发弹射击试验，通过分析胶泥凹陷深度、陶瓷和PE背板的损伤情况，分析了抗弹机理，主要结论如下：

(1) 复相增韧的碳化硼防弹陶瓷具有防多发弹的性能，在3 mm、1.5 mm芳纶背板 + PE背板的结构组合中，多发弹胶泥凹陷呈递减趋势，1.5 mm芳纶背板的插板胶泥凹陷平均值最小。

(2) 3 mm芳纶板可以对陶瓷提供更好的支撑，陶瓷在多发打击后损伤小，PE背板的损伤模式以分层破坏为主，随着芳纶背板厚度降低，PE损伤模式转变为冲塞破坏和分层损伤，1 mm芳纶背板对应插板的PE板穿透深度最大。

基金项目

丽水市重点研发计划项目(2022ZDYF05)。