下载文档原格式
随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的开展，高性能纤维得到了不断开展创新，目前已进入了一个高速开展阶段，其在防弹领域的应用也渐露头角，尤其是超高分子量聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维等高性能纤维在防弹装备方面应用，其前景非常广阔。
用高性能纤维材料制成的防弹材料质轻、柔韧性好、防护效果佳，近年来，各国用高性能纤维材料开发出了各种软式、软硬复合式防弹衣和防弹头盔。
1．4超高分子量聚乙烯纤维(IIlIMWPE)超高分子量聚乙烯纤维也称UHMWPE纤维，是继碳纤维、Kevlar纤维之后的第三代高性能纤维。
1979年由荷兰DSM公司生的Dyneema(迪尼玛)纤维，是世界上第一种超高分子量聚乙烯纤维，此后各国相开发了多种超高分子量聚乙烯，如：美国联合信号公司(AI—lied Signal)Spectra 三井石油化的Tekmilon等。
国内对UHMWPE纤维的研究开发工作，始于20世纪的80 年代初期，经过几十年的研究开发，国内已经形成了多家UHMWPE纤维生产厂家，其中初具规模的代表厂家有：XX大成材料股份公司、XX中泰新材料股份公司、中纺投资同益中特种纤维技术开发XX、南化集团研究院高聚纤维研发中心等。
由于UHMWPE纤维具有低密度、高比模量、高比强度、良好的能量吸收性能等优点，UHMWPE纤维出现后打破了芳纶纤维在防弹材料领域的垄断地位，并有逐渐取代芳纶防弹纤维的趋势，与其他几种高性能纤维相比UHMWPE纤维优异之处及缺点如下。
1．4．1相对密度小目前已商品化的几种UHMWPE纤维，相对密度为0．979／cm3，是所有高性能纤维中密度最小的，是铝的l，3和钢的1／8，是芳纶的2／3，碳纤维的1／2；UHMWPE 纤维复合材料要比芳纶复合材料轻20％，比碳纤维复合材料CERP轻30％。
1．4．2比模量、比强度高UHMWPE纤维具有很高的主链结合强度。
再加上其高度结晶取向，使纤维具有很高的强度和模量。
UHMWPE纤维是目前高性能纤维中比强度最高的纤维，比芳纶高35％，比碳纤维高50％；其比模量也很高(仅低于碳纤维，高于其他纤维)的纤维，是芳纶的2．5倍，而且由于该纤维有常规准静态条件下较高的模量，能造成高的声速传播，从而使得它在防护子弹冲击时的能量吸收和应力波传递优于其它纤维。
超高分子量聚乙烯纤维用途1、防弹防护方面的应用UHMWPE纤维在安全防护用品领域的应用集中体现了UHMWPE 纤维的优异性能，UHMWPE纤维复合材料的抗冲击韧性很好，比冲击吸收能量是高级复合材料中最高的，其比冲击吸收能量分别是芳纶、碳纤维和E玻璃纤维复合材料的2.6倍，3倍和1.8倍，因此适用于防弹衣、头盔和防弹装甲等，目前所生产的UHMWPE纤维主要用于生产轻质防弹头盔、防弹板及软质防弹服等防护材料。
由于UHMWPE纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如坦克防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣等，其中以防弹衣的应用最为引人注目。
它具有轻柔的优点，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。
UHMWPE纤维的防护织物主要用于防切割、防刺、防链齿等领域，如手套、击剑套服等。
2、缆绳及绳索方面的应用缆绳及绳索方面的应用用该纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程，是UHMWPE纤维的最初用途。
UHMWPE纤维具有轻质高强、使用周期长、耐磨、耐湿、断裂伸长大等特性，而普遍用于负力绳索、重载绳索、救捞绳、拖拽绳、帆船索和钓鱼线等。
用此纤维制成的直径lcm 的绳索断裂强度达120kN，与钢丝绳相比，重量减少50%，强度却能提高15%，寿命是钢丝绳几倍，使用及存放方便，有着广阔的前景。
在航空航天领域，已用于航天飞机着陆的减速降落伞、飞机上悬吊重物的绳索、高空气球的基材和吊索等，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索，其发展速度异常迅速。
传统船用缆绳一般采用涤纶、锦纶和丙纶工业丝，国内生产使用较多的是锦纶缆绳和丙纶缆绳，两者约各占一半。
采用UHMWPE纤维用于制造替代上述品种的缆绳，其成品不仅能克服丙纶制品易老化而导致强度迅速下降的一系列问题，还由于其密度小于水及其他纤维，从而解决了涤纶和锦纶缆绳操作重量大、沉入水中易缠绕螺旋桨而引起事故等各种难题。
荷兰DSM公司的UHMWPE纤维用于制造缆绳的要占总产量的40%，说明绳索是UHMWPE纤维应用的重要领域。
复合材料在防弹材料中的应用研究在当今社会，安全问题备受关注，防弹材料的研发和应用显得尤为重要。
复合材料凭借其独特的性能，在防弹领域展现出了巨大的潜力。
防弹材料的需求主要源于军事、执法、安保等领域。
在战场上，士兵们需要有效的防弹装备来保护生命；执法人员在执行危险任务时，防弹背心是必不可少的防护工具；而在一些重要场所的安保工作中，防弹材料也能发挥关键作用。
为了满足这些需求，材料科学家们不断探索和创新，复合材料逐渐成为了研究的焦点。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料等。
这些材料在防弹应用中各有优势。
纤维增强复合材料是目前应用较为广泛的一类防弹材料。
其中，芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维是最为常见的增强纤维。
芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温等优点，其制成的防弹材料在抵御子弹冲击时能够有效地吸收能量，减少子弹的穿透力。
超高分子量聚乙烯纤维则具有更轻的重量和更高的强度，使得防弹装备在提供良好防护性能的同时，减轻了使用者的负担。
陶瓷基复合材料在防弹领域也有着出色的表现。
陶瓷材料本身具有很高的硬度，能够有效地抵挡子弹的冲击。
将陶瓷与其他材料如纤维增强复合材料结合，可以发挥两者的优势，提高防弹效果。
例如，氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷常用于防弹装甲中，它们能够使子弹在撞击时发生破碎、变形，从而降低其杀伤力。
聚合物基复合材料在防弹应用中主要起到缓冲和能量吸收的作用。
常见的聚合物如聚乙烯、聚酯等具有一定的柔韧性和弹性，能够在受到冲击时通过变形来吸收能量，减轻对人体的伤害。
复合材料在防弹材料中的应用，不仅仅是材料的简单组合，更涉及到复杂的结构设计和制造工艺。
例如，采用多层结构的防弹复合材料，通过不同材料层的协同作用，可以更好地抵御子弹的攻击。
在制造工艺方面，先进的成型技术如模压成型、注塑成型等能够确保复合材料的性能和质量稳定。
引言传统的防弹材料以金属和陶瓷为主，这类防弹板材的使用寿命长，但存在着一些缺点，例如质量比较重等。
新型防弹塑料作为高强度材料，它可用来制作防弹玻璃和防弹服，质量只有传统材料的1/5至1/7[1]。
这是一种经过特殊加工的塑料材料，与正常结构的塑料相比，具有超强的防弹性。
传统的防弹材料在被子弹击中后会出现受损变形，无法继续使用，但这种新型材料受到子弹冲击后，虽然暂时也会变形，但很快就会恢复原状并可继续使用[2，3]。
新型防弹塑料为纤维增强复合材料（FiberReinforced Polymer-FRP），不仅能防止弹头得侵彻，而且能吸收子弹得冲击能量，避免冲击能量造成得伤害。
1. 防弹材料的防弹标准新型防弹材料的防弹标准沿用的旧防弹材料的标准，大体上按防弹性能将防弹材料分为A和B两个类别。
根据GA165-2016，A类为弹头或弹片未穿透防弹材料，防弹材料背面有飞溅物，但没有穿透测试卡。
B类为弹头或弹片未穿透防弹材料，防弹材料背面无飞溅物[4]。
具体的防弹等级按枪弹类型、弹头标称质量（g）、枪弹初速（m/s）、弹头结构、弹头直径×弹头长度（mm）、适用枪型分为六个等级以及特殊枪械对应的特殊等级[5]，在此不做赘述。
2. 纤维复合材料的防弹机理最早的防弹材料多使用陶瓷、金属等材料，当子弹打到防弹材料上时，将弹体或弹片碎裂后形成的破片予以弹开[5]，但是弹头产生的巨大动纤维增强防弹复合材料及应用张忠峰王克俭*（北京化工大学机电工程学院）摘要：本文主要介绍了新型防弹复合材料的防弹原理、纤维增强防弹复合材料的进展及防弹塑料片材的应用。
关键词：防弹塑料纤维增强复合材料超高分子聚乙烯纤维Fiber Reinforced Bulletproof Composites and ApplicationsZhang Zhongfeng Wang Kejian*（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology）Abstract：This paper mainly introduces the bulletproof principle of new bulletproof composite material，the progress of fiber reinforced bulletproof composite material and the application of bulletproof plasticsheet material.Keywords：bulletproof plastics fiber reinforced composites ultra-high molecular polyethylene fibers能无法消减，对被防护对象仍会造成一定的冲击。
超高分子量聚乙烯纤维的原料比较及抗蠕变性能研究超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是一种具有优异性能的高强度纤维材料。
其在航天、航空、军事、体育等领域具有广泛的应用前景。
为了获得高质量的UHMWPE纤维，选择合适的原料是至关重要的。
目前，UHMWPE纤维的主要原料有两种：一种是由石油炼制的聚乙烯（PE），另一种是由植物提取的尼龙（PA）。
这两种原料在制备UHMWPE纤维时具有一定的差异。
首先，从原料的来源上看，PE是一种化学合成的高分子材料，而PA则是一种天然植物提取物。
PE具有较高的稳定性和耐候性，能够抵抗各种化学物质的侵蚀，而PA则具有较好的生物降解性和可再生性。
因此，在环境友好性上，PA更具优势。
其次，从纤维的性能上看，PE具有更好的强度和耐磨性，能够耐受较大的拉伸力和摩擦力，而PA则具有较好的柔韧性和抗蠕变性能。
因此，在特定应用场景下，选择合适的原料可以满足不同的需求。
最后，在制备UHMWPE纤维的过程中，原料的处理也会对纤维的性能产生影响。
PE需要经过石油提炼和合成等多道工艺，工艺复杂，成本较高；而PA的提取和制备工艺相对简单，成本较低。
因此，选择合适的原料处理方法也是提高纤维质量和降低成本的关键。
综上所述，选择合适的原料对于制备高质量的UHMWPE纤维至关重要。
PE和PA作为UHMWPE纤维的主要原料，各自具有优势和劣势。
根据具体需求，可以选择不同的原料来满足不同的应用场景。
同时，原料的处理方法也需要根据实际情况进行选择，以提高纤维的质量和降低生产成本。
通过深入研究和比较，可以进一步提高UHMWPE纤维的性能，推动其在各个领域的应用。
超高分子量聚乙烯纤维的性能与应用作者：刘佳来源：《中国化工贸易·上旬刊》2020年第03期摘要：超高分子量聚乙烯纤维是世界上几种优良的高性能纤维之一。
由于其在化学和物理性能方面的优势，它被广泛用于许多行业，例如国防军事，工业生产，航天航空等。
超高分子量聚乙烯纤维是中国发展的重要项目，并且也是特种纤维之一。
本文对超高分子量聚乙烯纤维的性能和应用进行了综述。
关键词：超高分子量聚乙烯纤维;性能;应用1 超高分子量聚乙烯纤维的优良性能UHMWPE 的独特结构赋予了其优秀的理化特性，但 UHMWPE 柔性线性大分子主链结构及其极高的分子量（长的分子主链）同时制约了这一材料的成型工艺。
由于其分子链较长，UHMWPE 大分子链在熔融后仍然保持着高度的相互卷曲缠绕状态，导致其在熔融状态下粘度过高，不能形成粘流态而是呈现高弹态，熔融指数几乎为0，因此无法通过聚乙烯常用的热熔融实现挤出和纺丝等加工成型方法;同时，高弹态下的UHMWPE 具有的临界剪切速度较低，熔体的粘度很大，因此在挤出或者注塑工艺中容易使制品表面出现起伏不平、扭结、粗糙、熔体破裂等问题，同样是造成材料难以加工的因素。
与常规纤维相比，UHMWPE 纤维的最让人关注的是其超高的拉伸强度及拉伸模量、较低的密度、以及柔性链结构为基础的高抗冲性能。
另外，UHMWPE 纤维的绝缘性，耐低温性，化学稳定性及疏水性等均较优异。
1.1 超高分子量聚乙烯纤维优良的力学性能UHMWPE纤维具有优异的力学性能。
在相同线密度下，UHMWPE纤维的拉伸强度是钢丝绳的15倍，比芳纶纤维高40%，是优质钢纤维和普通复合纤维的10倍。
与钢、E夹层玻璃、尼龙、聚烯胺相比，具有更高的强度和模量，在相同质量的原材料中，强度最高。
1.2 超高分子量聚乙烯纤维优良的密度与比强度UHMWPE纤维的密度约为0.95g/cm3～0.98g/cm3，与碳纤维、芳纶纤维相比具有更低的密度，密度小于水的密度，与聚丙烯类似，是一种密度小于水的特种高性能纤维。
超高分子量聚乙烯在航空航天材料中的应用研究超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene，简称UHMWPE）是一种具有优异性能的高分子材料，其在航空航天领域中得到了广泛的应用。
本文将从材料特性、应用领域和未来发展三个方面对UHMWPE在航空航天材料中的应用研究进行探讨。
一、UHMWPE材料特性UHMWPE是一种线性结构的超高分子量聚合物，具有以下显著特性：1. 高强度：UHMWPE具有很高的拉伸强度和冲击强度，是一种强度较高的材料，能够承受复杂的力学环境。
2. 低摩擦系数：UHMWPE具有极低的摩擦系数，能够有效减少机械摩擦损耗，提高设备的寿命。
3. 良好的耐磨性：UHMWPE具有优异的耐磨性能，能够在恶劣条件下长时间使用而不易受到磨损。
4. 高化学稳定性：UHMWPE对于酸、碱、溶剂等化学物质有很好的耐腐蚀性，能够在恶性环境下稳定工作。
二、UHMWPE在航空航天材料中的应用领域1. 航空领域：UHMWPE被广泛应用于航空器中的结构件、悬挂件和密封件等部位。
其具有轻质、高强度和抗磨损的特性，能够减轻飞机自重、提高载荷能力和延长使用寿命。
2. 航天领域：UHMWPE在航天器的航行、制导和控制系统中扮演着重要角色。
其耐磨损、耐腐蚀的特性使得UHMWPE能够应对极端的航天环境，并具备良好的机械性能和化学稳定性，确保航天器的顺利运行。
3. 底盘材料：UHMWPE也被广泛应用于航空航天器的底盘材料，如轮胎、底盘垫片等，以提供更好的缓震效果和减少震动对飞行器产生的影响。
4. 结构材料：UHMWPE在航空航天领域中还可以用作结构材料，例如用于制造航空航天器的防热护盾、隔音材料等。
三、UHMWPE在航空航天材料中的未来发展1. 提高性能：未来的研究重点将是进一步提高UHMWPE的强度、耐磨性和耐紫外线能力，以满足不断升级的航空航天需求。
2. 复合材料应用：将UHMWPE与其他材料如碳纤维、陶瓷等进行复合，可以进一步优化材料性能，提高整体性能。
超高分子量聚乙烯纤维和UD复合材料在防弹应用中的加速老化研究S. Chabba. M. van Es. E. J. Van Klinken.
M. J. Jongedijk. D. Vanek. P. Gijsman.
A. C. L. M. Van der Waals
接收：2007年2月12日/采用：2007年2月15日/网上发表：2007年3月20日
© Springer Science +Business Media, LLC 2007
当今，装甲防护系统使用的各种聚合材料，重量轻并且为人员和车辆提供优良机动性和防弹性能。
防弹应用中常用的聚合材料包括迪尼玛®等超高分子量聚乙烯，以及Kevlar和Twaron等芳香聚酰胺纤维。
由于执法人员和士兵在各种不同环境条件下穿着防弹衣执行任务，要求装甲防护系统能承受不同环境条件并保持良好性能。
近期事故的原因是防弹衣中缺少聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维，进而强调了防弹衣坚固性的重要性。
美国国家司法学会(NIJ) 的一系列调查说明，PBO纤维在光亮和潮湿【1】环境中将承受巨大的拉伸载荷。
抗拉性能的损失可能降低PBO材质装甲防护解决方案在使用中的防弹性能。
合成纤维特性、性能和稳定性与其聚合物化学性质密切相关。
迪尼玛®是帝斯曼迪尼玛®公司在荷兰和美国使用专利凝胶纺丝工艺生产的一种高性能聚乙烯纤维。
这种纤维的结晶度和取向性极高，密度极低，成为极具吸引力的轻型弹道复合材料应用解决方案。
就化学性质而言，迪尼玛®纤维不含任何芬芳剂、酰胺及其他与普通化学品发生反应的化学族，因此，纤维具有惰性和稳定性【2】。
本研究评估了在高温和潮湿环境条件下，使用加速老化技术的超高分子量聚乙烯纤维和复合材料的性能保持能力。
本研究中使用的超高分子量聚乙烯纤维和UD复合材料由帝斯曼迪尼玛®公司生产。
研究中使用的是迪尼玛® SK76纤维，1760dtex和迪尼玛® UD 等级SB21、SB31和SB61。
Dtex是一种标准纺织物理度量，用以表示每1万米长度以克为重量单位纤维线性密度。
UD材料迪尼玛®SB21、SB31和SB61是使用热塑性树脂为基体与超高分子量聚乙烯纤维复合而成。
为确定加速老化所需时间，在温度控制良好的条件下，将迪尼玛®纤维的耗氧量和单向性作为时间函数进行监测。
氧化是促使聚烯烃老化最重要的过程【3】。
温度与化学反应速率的关系可用阿列纽斯方程式表示为【4】：
（1）
方程式中，k=反应速率常数；E a=激活能；A=碰撞频率系数；R=气体常数；T=绝对温度。
反应的变换系数对所需温度下与基准参考温度下的反应速度进行比较。
由方程式1得到反应变换系数，如以下方程式2所示：
In（变换系数）=（2）
方程式中，k ref=参考温度T ref下的反应速率常数，k=温度T下的反应速率常数。
通过标绘1/T的函数In（变换系数），得到一条斜率为E a/R的直线，被称作阿列纽斯曲线。
迪尼玛® SK76和迪尼玛® SB21的阿列纽斯曲线如图1和图2所示。
在本研究中，纤维样品，100米，缠绕于多孔线轴之上。
UD材料样品，面积为40×40厘米，面密度为3.66公斤/平方米。
可将在35℃温度下使用5年作为防弹衣的基准要求。
经常使用的防弹衣可能会处于相对湿度较高的环境中。
因此，为了获
得防弹衣所承受的较高相对湿度，老化研究选用80%的相对湿度。
根据方程式2、图1和图2，可计算出在65℃下加速老化8周将得到与在35℃基准温度下经过5年相同的效果。
根据修改的ISO 2062标准，说明控制和老化纤维样本抗拉性能的特征。
样本测试前在23℃和55%相对湿度的条件下放置72小时。
在Zwick1120拉伸试验设备的500米计量长度上以250毫米/分钟的十字头速度测试拉伸试验样本。
分别测量每种纤维20个样本的韧性、断裂压变和杨氏模量。
按照STANAG2920方法，测试迪尼玛® UD等级SB21、SB31和SB61的六种弹道包以衡量V50（子弹具有50%机率穿透弹道包的速度）。
弹道试验使用9毫米包钢子弹，根据STANAG2920标准的建议设置试验。
在65℃和80%相对湿度下加速老化0、1、2和4周后进行拉伸和弹道试验。
图1：迪尼玛® SK76纤维的阿列纽斯曲线
图2：迪尼玛® SB21的阿列纽斯曲线
图3显示了老化时间对迪尼玛® SK76纤维的韧性、拉伸断裂应变和杨氏模量的影响。
由图3可见，拉伸断裂应变从第0至8周增大，其原因为超高分子量聚乙烯处于65℃和80%相对湿度条件下8周后高取向分子链松弛。
纤维韧性在加速老化的8周内变化很小。
综合结果表明，迪尼玛® SK76在高温和高湿度环境中加速老化8周后能保持良好的性能。
美国国家司法学会(NIJ)近期发布了PBO纤维暴露在高温和高湿度环境中抗拉强度保持力的结果【1】。
PBO纤维显示，暴露在50℃和60%相对湿度环境50天后，
抗拉强度降低约20%。
图3：65℃和80%相对湿度环境中加速老化对迪尼玛® SK76纤维的影响
由图3可见，迪尼玛® SK76纤维在较高温度和相对湿度的条件下加速老化8周后可保持超过97%的抗拉强度。
如果复合材料防弹衣能更快吸收抛射冲击能并迅速将其扩散至更大的表面区域，该系统的效率将更高。
Cunniff研究了一种将弹道性能参数U*与纤维拉伸特性相联系的试验关系【5】：
（3）
方程式中，σ
f =纤维断裂拉伸强度；ε
f
=纤维断裂应变；ρ=纤维密度。
由图3可见，纤维韧性和应变失效在加速老化的8周内变化很小，进一步确认迪尼玛®纤维在加速老化8周后未损失能量吸收能力并能提供良好的弹道应用解决方案。
图4显示了迪尼玛® SB21、SB31和SB61复合材料在65℃和80%相对湿度条件下加速老化8周后V50的相对变化。
由图4可见，所有UD材料在加速老化8周后均能保持其V50性能。
单向ANOV A分析显示，迪尼玛® SB21、SB31和SB61在95%置信区间中的V50值在0至8周无明显变化，说明迪尼玛® UD能很好地保持其防弹特性。
结果显示，超高分子量聚乙烯迪尼玛®纤维和UD材料在35℃条件下暴露5年均可保持其拉伸特性和弹道（V50）性能，说明迪尼玛®纤维和UD材料具备良好的预期使用寿命。
而复合材料防弹衣的预期使用寿命需综合评估。
复合防弹衣的实际长期性能取决于实验室不易评估的因素，如防弹衣设计和防弹衣保养等。
建议定期评估现场使用的防弹衣的性能保持能力，以进一步了解弹道装甲防护系统的预期使用寿命。
实际测得的防弹衣性能应与实验室环境中得到的结果相联系。
该分析将有助于找到适当的方法，更好预测防弹衣在使用周期中的性能保持能力。
图4：在65℃和80%相对湿度条件下加速老化对迪尼玛® SB21、SB31和SB61中V50的影响
参考书目：
1、《关于防弹衣安全性主动测试向首席检察官作出的第三次情况报告》，2005年8月，美国国家司法学会，/bvpbasi/docs/supplementII_08_12_05.pdf，2006年11月20日
2、Van Dingenen JLJ (2004)：Hearle JWS (ed)《高性能纤维》，woodhead出版有限公司，英国剑桥，第76页
3、Gugumus F(1990)：Gachter R, Muller H (eds) 《塑料添加剂手册》，纽约hanser 出版社，第1页
4、Rodriguez F (1996)：《聚合物系统原理》，Taylor&Francis，费城PA，第104页
5、Cunniff PM, Auerbach MA (2002)，第23次军队科学会议，奥兰多FL，2002年12月。
