基于立体织物叠层结构轻质防弹/防刺材料的防御机制研究

高性能纤维集合体及其复合材料弹道冲击和刀具刺入的受力及变形分析，是设计既防弹又防刺的轻质防护材料的关键基础问题。本项目将在已有的研究基础上，设计材料结构要素的组合，采用实验研究和理论分析相结合的方法，以高性能纤维集合体及其复合材料为研究对象，特别是以立体织物增强为单层的，具有叠层结构几何特征的防护材料，从实验和理论角度，在评价立体织物及其叠层结构整体变形的对称性和抗防御目标排挤能力的基础上，多层次分析立体织物结构及其叠层结构对抗子弹冲击和刀具刺入相关性能改进的增强作用，建立材料整体和局部变形性和袭击损伤变量之间关系。通过尝试运用分形理论表征材料典型的细观损伤破坏特征，研究分形维与吸收袭击能量之间的定量联系，建立不同的损伤机制和能量吸收机制的关系，获得每层具体的变形和能量耗散机制，为新型轻质防弹/防刺材料的结构设计、成型参数优化、性能分析及防护效率评估等提供理论依据和方法。

人体防弹/防刺材料要达到的技术指标，就是轻质和防护功能的有机结合，高性能纤维集合体及其复合材料具有重量轻、可设计性强和可以实现大面积防护的特点，为人体防弹/防刺材料提供了设计空间。具有叠层结构的、以高性能纤维为主要成分的防弹和防刺材料成为重要发展方向。.项目设计材料结构要素的组合，采用实验研究和理论分析相结合的方法，以芳纶和超高分子量聚乙烯纤维为主体的基层织物出发，围绕防弹/防刺材料中三维织物结构和叠层结构两个材料结构层次，深入研究织物及其复合材料“抓住”子弹和抵挡尖刀刺砍的机理，评价三维织物及其叠层结构对抗子弹冲击和刀具刺入相关性能改进的增强作用。.全面评价芳纶和超高分子量聚乙烯纤维的各项力学性能，创新性地设计并应用了缝纱将一层经纱和两层纬纱连接成厚度很薄的正交三向基层织物，使得纤维在织物中完全伸直，且面内经纬向纤维含量相等。基于超高分子量聚乙烯纤维的温度特性，评价了乙烯基酯、线性低密度聚乙烯和水溶性聚氨酯基体复合材料的成型工艺、层间剪切性能和抗冲击性能，优化设计复合热压基片的关键成型参数（温度、压力和时间），制备了不同厚度的低树脂含量防弹/防刺复合材料。进一步，利用织物及其复合材料力学性能的可设计性，采用实验测试和数值模拟相结合的方法，对织物层数、叠层顺序、织物结构及厚度等因素进行了研究。.基于以上防弹/防刺机理的探究，复合材料层板的设计应具有层次性，以使防弹/防刺效果达到最优。分层是能量吸收的主要方式，主要分为三个层次，第一层次：选用UD布模压而成的复合材料，它具有子弹冲击时变形大的特点，能通过大面积的吸能而阻止子弹侵彻贯穿。第二层次：有效地抑制分层，第二层次选用正交三向织物增强复合材料，它具有抗弯刚度大、易于变形、抗连续冲击性能好的特点，能够保证防弹复合材料的完整性和重复性。第三层次：减小在防弹复合材料背面形成的背凸的变形程度，选用多孔介质（泡沫）作为第三层次，在保证人体安全的基础上，改善舒适性。项目提出了具有三层次的新型梯度结构的轻质防弹/防刺材料的制备技术，所获得的防弹/防刺材料面密度为3.0kg/m2，达到《防刺服》标准GA68-2008（24J）和《警用防弹衣通用技术条件》GA141-2001的1级防护要求（64式手枪发射的64式7.62mm手枪弹）。项目打破国外的技术垄断和产品垄断，充分发挥纺织技术和复合材料工艺的优势，为新型轻质防弹/防刺材料的结