摘要：在軍事領(lǐng)域，防護(hù)裝備對(duì)保障部隊(duì)安全至關(guān)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(hù)指通過特殊設(shè)計(jì)的材料和系統(tǒng)，保護(hù)穿戴者的身體與頭部、裝甲車輛以及防御設(shè)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(hù)具。然而，現(xiàn)代材料科學(xué)的進(jìn)步催生了纖維增強(qiáng)的高性能聚合物復(fù)合材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，這類人造纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有耐久性高、剛度強(qiáng)、耐腐蝕以及輕量化等優(yōu)勢(shì)，可顯著提升車輛和單兵的機(jī)動(dòng)性與作戰(zhàn)能力。

關(guān)鍵詞：國(guó)防、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

防彈衣作為一種防護(hù)裝備，旨在保護(hù)人體在戰(zhàn)爭(zhēng)或其他危險(xiǎn)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(qiáng)化聚合物、金屬板、陶瓷及復(fù)合材料等堅(jiān)固物質(zhì)構(gòu)成，供軍事人員在高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)中抵御高速子彈或拋射體。但其剛性與重量會(huì)限制穿戴者的活動(dòng)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(hù)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(dòng)受限問題。當(dāng)前研究聚焦于開發(fā)強(qiáng)韌、輕量且低成本的防彈系統(tǒng)。根據(jù)防彈標(biāo)準(zhǔn)，子彈擊中時(shí)必須被阻擋，且對(duì)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(yīng)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(shí)）制成硬質(zhì)防彈板。Chang等人的研究表明，剪切增稠流體（STF）結(jié)構(gòu)與聚脲彈性體/凱夫拉布復(fù)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(qiáng)度復(fù)合層壓板比常規(guī)防護(hù)材料減重17%，且厚度更薄。

高性能纖維制造技術(shù)的前沿突破，推動(dòng)了具有更強(qiáng)防護(hù)能力的先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展。這類復(fù)合材料采用混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jí)添加劑，從而提升彈道性能、增強(qiáng)柔韌性并減輕重量。K?dzierski團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UHMWPE/芳綸混雜復(fù)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(duì)比了兩種硬質(zhì)裝甲材料：UHMWPE合成纖維復(fù)合材料與30%菠蘿葉纖維（PALF）增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料。結(jié)果顯示，陶瓷面板配合PALF/環(huán)氧復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗彈性能與Dyneema板相當(dāng)。da Silva團(tuán)隊(duì)則研究了紫外線照射對(duì)芳綸/卡拉烏纖維混雜復(fù)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(shí)后，材料出現(xiàn)分層、分子鏈斷裂及聚酯樹脂交聯(lián)增強(qiáng)等現(xiàn)象。

圖1. 卡拉烏纖維增強(qiáng)芳綸混雜復(fù)合材料制備示意圖

頭盔是另一種專為保護(hù)頭部、耳朵和頸部而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵防護(hù)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(yīng)有效保護(hù)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(dǎo)致背面變形（BFD）。過去，鋼材被用于制造保護(hù)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(diǎn)。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(shè)計(jì)隨著時(shí)間推移不斷變化（如表1所示）。

表1 戰(zhàn)斗彈道頭盔的歷時(shí)演進(jìn) 

文獻(xiàn)已對(duì)防護(hù)頭盔材料抵抗高能子彈穿透的性能進(jìn)行了廣泛研究。最常用的芳綸復(fù)合材料凱夫拉因其高模量、優(yōu)異的強(qiáng)度重量比和抗沖擊性而成為首選。此外，比凱夫拉更強(qiáng)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(shè)計(jì)較早期版本發(fā)生了顯著演變。這主要?dú)w功于材料技術(shù)的進(jìn)步。聚合物復(fù)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(jī)動(dòng)效能，又保持了高水平的防護(hù)性能。

研究集中在通過改進(jìn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和納米技術(shù)，在不增加重量的情況下開發(fā)能提高防護(hù)性、耐用性和彈道抵抗能力的頭盔。據(jù)報(bào)道，Nasser等人研究了氧化鋅改性玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的彈道性能。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)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(jià)鍵提高了顆粒與基體之間的剪切強(qiáng)度和結(jié)合力，而宏觀纖維的結(jié)合能主要來自靜電力。

納米填料在增強(qiáng)聚合物基納米復(fù)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(jī)粘土等。Daungkumsawat等人近期發(fā)表的一項(xiàng)進(jìn)展涉及由聚（苯并噁嗪-co-聚氨酯）基體制成的納米復(fù)合材料，該材料采用芳綸織物和多壁碳納米管（MWCNTs）增強(qiáng)。該研究考察了MWCNTs重量百分比在0%到2%之間變化對(duì)頭盔彈道和機(jī)械特性的影響。研究結(jié)果表明，0.25%的最佳濃度提供了最佳的機(jī)械性能，包括提高的拉伸強(qiáng)度、減輕的重量和增強(qiáng)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(duì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抵抗性能的影響。含有0.1 wt% MWCNTs的復(fù)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(fù)合材料則顯示出56%的增長(zhǎng)。這些結(jié)果表明，MWCNTs可以極大地增強(qiáng)由凱夫拉K29纖維制成的環(huán)氧復(fù)合層壓板的彈道性能。

挑戰(zhàn)和未來發(fā)展
盡管纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其應(yīng)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(jìn)攻擊手段的材料十分困難。由于對(duì)手總是在尋找突破現(xiàn)有防御的新方法，實(shí)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(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這需要不斷改進(jìn)材料的彈道性能。開發(fā)FRP復(fù)合材料過程中的主要障礙之一是缺乏對(duì)纖維-基體表征的認(rèn)識(shí)。雖然基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)具備，但為了在多個(gè)學(xué)科中應(yīng)用，需要理解FRPCs組分的重要材料特性。彈道材料技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，但可持續(xù)實(shí)踐的實(shí)施卻很困難。目前FRPCs的回收或處置選擇很少，因?yàn)槔w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(guān)鍵問題之一，特別是對(duì)于需要芳綸或碳纖維等高性能纖維的高級(jí)應(yīng)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(shí)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(fù)合材料的未來為通過克服當(dāng)前挑戰(zhàn)和利用創(chuàng)新機(jī)會(huì)來增強(qiáng)彈道性能提供了廣闊前景。復(fù)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(jìn)回收策略。為了減少FRP復(fù)合材料對(duì)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(jiān)固且適應(yīng)性強(qiáng)的材料，預(yù)計(jì)FRP復(fù)合材料的需求將會(huì)增加，其應(yīng)用范圍也將擴(kuò)大。將納米技術(shù)與復(fù)合材料相結(jié)合可以增強(qiáng)其強(qiáng)度和能量吸收能力，從而使其更適合抗沖擊應(yīng)用。這對(duì)于頭盔和防彈衣等應(yīng)用尤為重要。此外，通過集成智能功能（如用于態(tài)勢(shì)感知和健康監(jiān)測(cè)的傳感器以及夜視裝置）來生產(chǎn)具有更高舒適性和防護(hù)性的頭盔，對(duì)于軍事和安全用途至關(guān)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.