在現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)演變與非對稱沖突頻發(fā)的背景下，爆炸性武器因其毀傷機(jī)制升級與智能化融合，持續(xù)占據(jù)戰(zhàn)場殺傷性武器的核心地位，對生物體的主要?dú)蛩匕ū_擊波破片、沖擊振動(dòng)等。爆炸沖擊波可在極短時(shí)間內(nèi)作用于生物頭部，引起神經(jīng)功能損傷乃至器官性病變，由爆炸沖擊波導(dǎo)致的創(chuàng)傷性腦損傷（Blast traumaticbrain injury，簡稱“bTBI”）是較常見的損傷類型，對單兵的作戰(zhàn)和生存能力構(gòu)成極大威脅。同時(shí)，罹患創(chuàng)傷性腦損傷引發(fā)的嚴(yán)重戰(zhàn)爭后遺癥，對戰(zhàn)后士兵的基本生活產(chǎn)生了巨大影響。軍用頭盔既可用于戰(zhàn)場上保護(hù)單兵個(gè)體的生命安全、又能確保士兵發(fā)揮戰(zhàn)技水平，同時(shí)也適用于單兵訓(xùn)練和執(zhí)行非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)、國家政府及其他重大行動(dòng)任務(wù)保障等領(lǐng)域，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到裝備的防護(hù)效果和士兵的生命安全。因此，除基本防護(hù)作用外，軍用頭盔需兼顧沖擊波防御功能，以降低爆炸所致創(chuàng)傷性腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。

主要纖維材料

軍用頭盔經(jīng)歷了從鋼盔到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料頭盔的發(fā)展過程，芳綸與超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維憑借高強(qiáng)高模、抗剪切、質(zhì)輕及高性價(jià)比等優(yōu)勢而被大量應(yīng)用。芳綸主要有對位芳綸（芳綸Ⅱ）和引入苯并咪唑結(jié)構(gòu)改善了芳綸Ⅱ不耐紫外光缺點(diǎn)的雜環(huán)芳綸（芳綸Ⅲ），其中，芳綸Ⅱ纖維工業(yè)化產(chǎn)品主要有美國杜邦公司的Kevlar®、日本帝人（Teijin）公司的Twaron®、韓國科隆（KOLON）公司的Heracron®以及中國泰和新材公司的Taparon®；芳綸Ⅲ纖維工業(yè)化產(chǎn)品主要有俄羅斯特威爾與卡門斯克公司主導(dǎo)生產(chǎn)的Armos®和Rusar®系列產(chǎn)品，以及中國中藍(lán)晨光公司的Starmid® F－3系列產(chǎn)品。

UHMWPE纖維密度低于芳綸，但抗蠕變性能及耐熱性較差，制成的防彈產(chǎn)品在受彈道沖擊后，會(huì)出現(xiàn)背凹現(xiàn)象，其工業(yè)化產(chǎn)品主要有美國Honeywell（霍尼韋爾）推出的Spectra®及荷蘭DSM（帝斯曼）推出的Dyneema®。

碳纖維雖同樣具有高強(qiáng)高模、質(zhì)輕特性，但因其斷裂韌性差、吸能有限，通常作為外層材料包裹于上述材料主體，提供極高的剛性和硬度，以增加頭盔結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度，并防御鈍擊創(chuàng)傷。表 1 為以上主要纖維材料性能對照情況。

表 1 主要纖維材料性能對照

預(yù)制件

纖維通過紡織工藝交織排列成完整的組織結(jié)構(gòu)后，能夠更好地發(fā)揮特性。軍用頭盔常用預(yù)制件的織物組織結(jié)構(gòu)主要有UD布（Uni-Directional Cloth）、二維織物和三維織物。UD布又稱單向布或無緯布，是將芳綸、UHMWPE等纖維單向平行鋪設(shè)，再通過熱塑性樹脂或環(huán)氧樹脂浸漬黏合固定，其單向強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使纖維在單一方向（通常是0°或90°）上集中承載受力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的強(qiáng)度。二維織物是指由互相垂直的經(jīng)紗和緯紗按特定規(guī)律在織機(jī)上交織而成的織物，織物組織決定了其外觀和性能。三維織物是利用編織工藝將多個(gè)方向的紗線連為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有更好的層間性能，其組織結(jié)構(gòu)多且復(fù)雜。

UD布結(jié)構(gòu)示意圖

二維織物組織結(jié)構(gòu)示意圖

三維織物結(jié)構(gòu)示意圖

樹脂基體

樹脂基體主要作用如下：約束和固定纖維，避免纖維在受彈擊時(shí)發(fā)生嚴(yán)重滑移；為復(fù)合材料提供結(jié)構(gòu)剛度，減小彈擊引起的橫向變形；分散并傳遞沖擊載荷，使能量迅速向高性能纖維轉(zhuǎn)移；通過自身破碎耗散部分能量。美軍最早將聚乙烯醇羧丁醛（PVB）增韌酚醛樹脂體系應(yīng)用于芳綸頭盔，實(shí)現(xiàn)了防護(hù)性能與結(jié)構(gòu)剛度的平衡。UHMWPE纖維常以聚氨酯、聚烯烴、聚乙烯等熱塑性樹脂為基體，但此類頭盔存在結(jié)構(gòu)剛度不足的問題。因此，研制新型高強(qiáng)、高韌樹脂體系是提升軍用頭盔綜合性能的關(guān)鍵因素。

來源：紡織導(dǎo)報(bào)