曹巖楓，溫垚珂*，孫非，徐誠

自然老化軟質(zhì)防彈衣對(duì)明膠靶標(biāo)的防護(hù)性能試驗(yàn)研究

曹巖楓1，溫垚珂1*，孫非2，徐誠1

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094；2.公安部第一研究所, 北京 100048）

為了研究自然老化防彈衣對(duì)人體的防護(hù)能力，開展手槍彈對(duì)有防護(hù)明膠靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)。通過高速攝影拍攝鈍擊過程中明膠靶標(biāo)內(nèi)瞬時(shí)凹陷情況，以此判斷自然老化是否影響防彈衣的防護(hù)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，10年自然老化防彈衣防護(hù)下的明膠靶標(biāo)內(nèi)平均瞬態(tài)最大凹陷深度為23.32 mm，平均最大直徑為70.08 mm；新軟質(zhì)防彈衣防護(hù)下的明膠靶標(biāo)內(nèi)平均最大凹陷深度為28.76 mm，平均最大直徑為66.59 mm。10年自然老化對(duì)軟質(zhì)防彈衣的抗彈性能沒有顯著影響。文中的研究給自然老化軟質(zhì)防彈衣安全使用壽命的延長提供了參考。

自然老化；超高分子量聚乙烯材料；軟質(zhì)防彈衣；明膠；鈍性撞擊

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE，以下簡稱PE）軟質(zhì)防彈材料是依靠纖維使高速運(yùn)動(dòng)的彈丸減速，同時(shí)使其變形的方式來防護(hù)彈丸的貫穿對(duì)人體造成傷害，因此在彈丸減速的過程中，會(huì)將動(dòng)能傳遞至人體，對(duì)穿著軟質(zhì)防彈衣的人體的主要臟器和骨骼造成鈍擊傷。由此可知，一種優(yōu)秀的軟質(zhì)防彈材料不僅具有較高的防彈能力，還應(yīng)滿足一定的非貫穿鈍擊的低損傷或無損傷要求。近年來軟質(zhì)防彈衣在防彈過程中的鈍擊效應(yīng)及非貫穿鈍擊傷問題受到了研究者的廣泛關(guān)注。有的學(xué)者[1-8]通過試驗(yàn)獲得了PE等防彈材料的防彈性能，還有的學(xué)者[9-18]通過數(shù)值仿真的方法對(duì)不同槍彈侵徹帶軟質(zhì)防彈衣靶標(biāo)的非貫穿鈍擊作用的瞬態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了研究。但對(duì)自然老化后的軟質(zhì)防彈衣其力學(xué)性能是否會(huì)下降，從而導(dǎo)致貫穿或鈍擊效應(yīng)加重，仍需要開展研究。本文通過試驗(yàn)對(duì)比分析有無自然老化PE軟質(zhì)防彈衣抗彈過程鈍擊效應(yīng)情況，對(duì)軟質(zhì)防彈衣耐老化性能評(píng)估、長期安全使用以及軟防護(hù)狀態(tài)鈍擊傷的醫(yī)學(xué)診療具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)對(duì)象與測量方法

試驗(yàn)使用的防彈衣主要分為新防彈衣和自然老化防彈衣，防護(hù)面積為300 mm×300 mm。自然老化防彈衣為防彈衣在日常儲(chǔ)存條件下自然老化，使用時(shí)距生產(chǎn)日期已超過10年，自然老化防彈衣照片如圖1所示。新防彈衣為近期生產(chǎn)的防彈衣。自然老化防彈衣與新防彈衣均由PE UD布、塑料板和海綿墊組成，其中PE UD布模塊起抗彈和防護(hù)作用。為保證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的準(zhǔn)確性，選取同樣厚度PE UD布模塊的防彈衣，防彈衣規(guī)格如表1所示。

圖1 10年自然老化軟質(zhì)防彈衣樣品

表1 防彈衣規(guī)格

Tab.1 Specifications of bulletproof vest

對(duì)7.62 mm手槍彈高速撞擊帶PE軟質(zhì)警用防彈衣的明膠復(fù)合靶標(biāo)的過程進(jìn)行研究。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，試驗(yàn)中采用手槍發(fā)射7.62 mm手槍彈，槍口距離防彈衣5 m，手槍彈垂直撞擊帶PE軟質(zhì)警用防彈衣的明膠模擬靶標(biāo)，靶標(biāo)如圖3所示。明膠靶標(biāo)尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，使用溫度為4 ℃。以明膠迎彈面左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)、水平向右為正方向、豎直向上為正方向、沿彈道方向?yàn)檎较蚪⒆鴺?biāo)系，通過坐標(biāo)系可以獲得防彈衣和明膠靶標(biāo)受到手槍彈沖擊時(shí)的彈著點(diǎn)和凹陷坐標(biāo)，從而獲取瞬時(shí)凹陷尺寸。高速攝像系統(tǒng)被布置在帶PE軟防護(hù)明膠靶標(biāo)的側(cè)面，通過拍攝和圖像處理來測量軟防護(hù)和明膠的凹陷情況。高速攝影測試系統(tǒng)由一臺(tái)Photron FASTCAM SA-X2型彩色高速攝影機(jī)、筆記本電腦、Nikon AF 80-200 mm 1:2.8D光學(xué)鏡頭、三腳架以及若干連接線組成。綜合考慮，設(shè)置彩色高速攝像機(jī)的分辨率為1 024×672，采樣頻率為20 000幀/s，曝光時(shí)間為50 μs?？刂撇糠种饕ㄟ^電腦與Photron高速攝像機(jī)相連接，通過計(jì)算機(jī)與攝像機(jī)配套的PFV拍攝軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和攝像控制。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 明膠人體模擬靶標(biāo)的制作

彈道明膠被廣泛用來模擬人體肌肉組織。明膠人體模擬靶標(biāo)的制作大概分為制備原料的選取，明膠顆粒的浸泡，明膠的熬制，準(zhǔn)備模具、注模與貯藏，脫模等幾個(gè)步驟。明膠人體模擬靶標(biāo)的制備原料為自來水和明膠顆粒。為了便于高速攝影拍攝，所選明膠顆粒均為照相明膠，其理化性能均符合QB/T 1997—2010[19]的要求。本試驗(yàn)中制備的明膠人體模擬靶標(biāo)的明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，因此在制備過程中明膠顆粒與自來水時(shí)按1∶9的質(zhì)量比稱取。

明膠顆粒在水中充分浸泡軟化后倒入60 ℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行明膠溶液的熬制，徹底融化后注入內(nèi)尺寸為300 mm×300 mm×350 mm的模具。注模后的明膠溶液連同模具一起放置在0～25 ℃的環(huán)境中冷卻，完全凝固后，放在恒溫箱中，恒溫貯藏。

3 結(jié)果與討論

3.1 自然老化和新軟質(zhì)防彈衣鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

本文采用明膠靶標(biāo)對(duì)自然老化和新軟質(zhì)防彈衣抗彈過程進(jìn)行鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)研究（如圖3）。其中，7.62 mm手槍彈侵徹新軟質(zhì)防彈衣明膠復(fù)合靶標(biāo)的高速攝影結(jié)果如圖4所示，此時(shí)彈丸的入射速度為403.2 m/s。

圖4 7.62 mm手槍彈侵徹新防彈衣明膠靶標(biāo)高速攝影結(jié)果

圖4中，以彈丸擊中復(fù)合靶標(biāo)的前一幀為0 ms時(shí)刻，在防彈衣后明膠靶標(biāo)內(nèi)形成瞬時(shí)凹陷的鼓包并逐漸變大。在3.85 ms時(shí)達(dá)到最大高度29.09 mm，隨后鼓包高度開始減小；在5.45 ms時(shí)形成最大直徑為68.64 mm。此后鼓包收縮，在8.85 ms時(shí)消失不見，并未出現(xiàn)二次鼓包。

表2給出了3發(fā)7.62 mm手槍彈分別侵徹有海綿墊的自然老化和新軟質(zhì)防彈衣過程中明膠復(fù)合靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，彈丸侵徹新軟質(zhì)防彈衣的平均入射速度為398.4 m/s，侵徹自然老化防彈衣的平均入射速度為408.1 m/s。在沖擊過程中，新軟質(zhì)防彈衣防護(hù)下的明膠內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)鼓包，平均最大瞬時(shí)鼓包高度為28.76 mm，平均最大直徑為66.59 mm；自然老化軟質(zhì)防彈衣的平均最大瞬時(shí)鼓包高度為21.76 mm，平均最大直徑為70.08 mm。

此外，由于防彈衣年代不同，單層PE無緯布的厚度也不同，無法簡單地通過被穿透層數(shù)進(jìn)行防護(hù)性能對(duì)比。因此對(duì)侵徹后被穿透的防彈衣進(jìn)行了穿透厚度測量，將被穿透靶板的厚度作為反映防彈衣防侵徹能力的指標(biāo)之一。新軟質(zhì)防彈衣平均被穿透厚度為0.81 mm，自然老化軟質(zhì)防彈衣平均被穿透厚度為2.03 mm。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出自然老化防彈衣的最大瞬時(shí)鼓包的高度值更小，但是最大鼓包直徑和平均被穿透厚度更大。

圖5為入射速度為403.2 m/s時(shí)，自然老化防彈衣和新防彈衣防護(hù)下明膠靶標(biāo)的鼓包最大高度隨時(shí)間變化的曲線。從圖5中得知，相同入射速度下，新防彈衣防護(hù)下明膠靶標(biāo)的最大鼓包高度相對(duì)較大，而自然老化防彈衣防護(hù)下明膠靶標(biāo)的最大鼓包高度相對(duì)較小。在圖5中可以明顯看出，在1.25 ms時(shí)鼓包高度達(dá)到第1個(gè)峰值17.80 mm，此后鼓包在短暫收縮后，在5.75 ms時(shí)，鼓包高度達(dá)到另一個(gè)峰值23.75 mm。此外，雖然新防彈衣的鼓包高度的峰值相較于自然老化防彈衣更大，但是新防彈衣的鼓包收縮更快，在8.85 ms時(shí)鼓包消失，但是自然老化防彈衣則在12.75 ms時(shí)消失。從鈍擊損傷角度分析，10年自然老化的作用影響較小。10年自然老化防彈衣盡管對(duì)人體有損傷，但仍符合安全使用要求。

表2 軟質(zhì)防彈衣鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Blunt impact effect results of soft bulletproof vest

圖5 鼓包最大高度隨時(shí)間的變化曲線

3.2 自然老化和新PE防彈靶板鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

在7.62 mm手槍彈高速撞擊自然老化和新PE防彈靶板（防彈衣去除海綿與塑料板）防護(hù)下明膠靶標(biāo)的試驗(yàn)中，每個(gè)靶標(biāo)分別射擊3發(fā)7.62 mm手槍彈，彈著點(diǎn)位置如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，彈丸侵徹新PE防彈靶板的平均入射速度為419.6 m/s，侵徹自然老化防彈靶板的平均入射速度為414.1 m/s。在沖擊過程中，在新軟質(zhì)防彈靶板防護(hù)下的明膠內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)鼓包的平均最大瞬時(shí)鼓包高度為29.86 mm、平均最大直徑為68.43 mm；而自然老化軟質(zhì)防彈靶板防護(hù)下明膠內(nèi)的平均最大瞬時(shí)鼓包高度為33.01 mm、平均最大直徑為68.08 mm。此外，新軟質(zhì)防彈靶板平均被穿透厚度為1.66 mm，自然老化軟質(zhì)防彈靶板平均被穿透厚度為2.07 mm。其中，在編號(hào)為G-3組試驗(yàn)結(jié)果中，明膠最大鼓包高度為44.56 mm，結(jié)合彈著點(diǎn)示意圖可以發(fā)現(xiàn)，G-3組試驗(yàn)彈著點(diǎn)位于防彈靶板和明膠靶標(biāo)的邊緣位置，因此試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于其他2組數(shù)據(jù)。不考慮G-3組數(shù)據(jù)，自然老化軟質(zhì)防彈靶板防護(hù)下明膠內(nèi)的最大瞬時(shí)鼓包高度為27.24 mm，明顯小于新PE防彈靶板。

圖7為試驗(yàn)組編號(hào)為G-2的彈丸侵徹自然老化防彈靶板的試驗(yàn)過程，靶板為去除海綿與塑料板的7 mm PE防彈靶板。以彈丸擊中靶板的前一幀為0 ms時(shí)刻，防護(hù)下的明膠靶標(biāo)內(nèi)出現(xiàn)了2個(gè)鼓包，第1個(gè)鼓包在1.85 ms時(shí)達(dá)到最大高度22.51 mm，隨后第1個(gè)鼓包開始收縮，第2個(gè)鼓包形成并出現(xiàn)2個(gè)鼓包共存現(xiàn)象。在8.7 ms時(shí)第2個(gè)鼓包達(dá)到最大高度28.14 mm；最大直徑為66.60 mm。此后鼓包開始變小直至消失不見，未出現(xiàn)反復(fù)現(xiàn)象。

表3 PE軟質(zhì)防彈靶板鈍擊效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Blunt impact effect results of PE soft bulletproof target

圖7 7.62 mm手槍彈侵徹自然老化防彈靶板明膠靶標(biāo)高速攝影結(jié)果（G-2）

由于PE纖維老化，防彈材料硬度增加，彈丸在侵徹過程中防彈材料變形減小，在侵徹一定深度形成第1個(gè)鼓包后運(yùn)動(dòng)軌跡開始變化，第1個(gè)鼓包高度停止增大，在彈丸減速過程中進(jìn)一步釋放能量，形成了第2個(gè)鼓包。因此，與新軟質(zhì)防彈材料相比，自然老化防彈材料吸收能量的過程更長，形成的最大鼓包高度相對(duì)較小，恢復(fù)時(shí)間較長。

4 結(jié)語

本文開展了手槍彈侵徹新、老防彈衣對(duì)明膠靶標(biāo)的防護(hù)性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)7.62 mm手槍彈高速撞擊PE軟質(zhì)防彈衣對(duì)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)凹陷會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生損傷。在新PE軟質(zhì)防彈衣與10年自然老化PE軟質(zhì)防彈衣防護(hù)下，明膠復(fù)合靶標(biāo)產(chǎn)生的鈍擊效應(yīng)基本相同，10年自然老化PE軟質(zhì)防彈衣的抗彈性能沒有明顯下降。本文研究對(duì)自然老化軟質(zhì)防彈衣安全使用壽命的延長提供了參考。

[1] 鄭震, 施楣梧, 周國泰. 超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其防彈性能的研究進(jìn)展[J]. 合成纖維, 2002, 31(4): 20-23.

ZHENG Zhen, SHI Mei-wu, ZHOU Guo-tai. Progress in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber Reinforced Composites and Its Bulletproof Property[J]. Synthetic Fiber in China, 2002, 31(4): 20-23.

[2] JACOBS M J N, DINGGEN J L J V. Ballistic Protection Mechanism in Personal Armor, Journal of Materials Science[J]. 2001, 36(13): 3137-3142.

[3] CHEN Li, CAO Ming-jin, FANG Qin. Ballistic Performance of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Laminate with Different Thickness[J]. International Journal of Impact Engineering, 2021, 156: 103931.

[4] 許倞, 溫垚珂, 陳愛軍, 等. 基于3D-DIC的UHMWPE軟質(zhì)防彈衣性能測試[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2023, 44(7): 77-84.

XU Liang, WEN Yao-ke, CHEN Ai-jun, et al. Performance Tests of UHMWPE Soft Bullet-Proof Vests Based on 3D-DIC[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2023, 44(7): 77-84.

[5] 趙玉芬, 田歌, 王藝臻, 等. UHMWPE防彈復(fù)合材料正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2023, 42(8): 104-110.

ZHAO Yu-fen, TIAN Ge, WANG Yi-zhen, et al. Orthogonal Experimental Design and Analysis of UHMWPE Bulletproof Composite[J]. Journal of Vibration and Shock, 2023, 42(8): 104-110.

[6] 常利軍, 黃星源, 袁圣林, 等. 壓縮載荷下UHMWPE纖維復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能與失效分析[J]. 高壓物理學(xué)報(bào), 2023, 37(1): 52-61.

CHANG Li-jun, HUANG Xing-yuan, YUAN Sheng-lin, et al. Mechanical Properties and Failure Analysis of UHMWPE Fiber Composite Laminates under Compressive Loading[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2023, 37(1): 52-61.

[7] 何業(yè)茂, 焦亞男, 周慶, 等. 彈道防護(hù)用超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2023, 40(1): 119-130.

HE Ye-mao, JIAO Ya-nan, ZHOU Qing, et al. Tensile Mechanical Behavior of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Reinforced Thermoplastic Resin Matrix Composites for Ballistic Application[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(1): 119-130.

[8] CAO Ming-jin, CHEN Li, XU Rong-zheng, et al. Effect of the Temperature on Ballistic Performance of UHMWPE Laminate with Limited Thickness[J]. Composite Structures, 2021, 277: 1-11.

[9] 孫非, 馬力, 朱一輝, 等. 手槍彈對(duì)帶UHMWPE軟防護(hù)明膠靶標(biāo)沖擊效應(yīng)的數(shù)值分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2018, 37(13): 20-26.

SUN Fei, MA Li, ZHU Yi-hui, et al. Numerical Analysis for Impact Effects of a Pistol Bullet on a Gelatin Target Covered with UHMWPE Fiber Armor[J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(13): 20-26.

[10] LUO Shao-min, XU Cheng, WANG Shu, et al. Transient Pressure Wave in the Behind Armor Blunt Trauma: Experimental and Computational Investigation[J]. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2017, 20(3): 308-318.

[11] 溫垚珂, 鄭浩, 張俊斌, 等. 基于三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的防彈衣性能測試與評(píng)估[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2021, 42(6): 1121-1127.

WEN Yao-ke, ZHENG Hao, ZHANG Jun-bin, et al. Test and Evaluation of Body Armor Performance Based on 3D Digital Image Correlation Technology[J]. Acta Armamentarii, 2021, 42(6): 1121-1127.

[12] LUO Shao-min, WEN Yao-ke, LI Juan. Experimental Investigation on the Characteristics of Temporary Cavity in BABT with 9 mm Projectiles[J]. Forensic Science International, 2021, 323: 110772.

[13] GOODE T, SHOEMAKER G, SCHULTZ S, et al. Soft Body Armor Time-Dependent back Face Deformation (BFD) with Ballistics Gel Backing[J]. Composite Structures, 2019, 220: 687-698.

[14] HAN Rui-guo, QU Yong-jie, YAN Wen-min, et al. Experimental Study of Transient Pressure Wave in the Behind Armor Blunt Trauma Induced by Different Rifle Bullets[J]. Defence Technology, 2020, 16(4): 900-909.

[15] GILSON L, RABET L, IMAD A, et al. Experimental and Numerical Assessment of Non-Penetrating Impacts on a Composite Protection and Ballistic Gelatine[J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 136: 103417.

[16] 姜荃, 溫垚珂, 張俊斌, 等. 步槍彈對(duì)有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊作用傳遞模型研究[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2021, 42(4): 31-36.

JIANG Quan, WEN Yao-ke, ZHANG Jun-bin, et al. Research on Transfer Model of Rifle Projectile Blunt Impact on Protected Gelatin Target[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2021, 42(4): 31-36.

[17] CRONIN D S, BUSTAMANTE M C, BARKER J, et al. Assessment of Thorax Finite Element Model Response for Behind Armor Blunt Trauma Impact Loading Using an Epidemiological Database[J]. Journal of Biomechanical Engineering, 2021, 143(3): 031007.

[18] LI Y Q, GAO X L, HALLS V A, et al. A New Constitutive Model for Ballistic Roma Plastilina No. 1 Clay[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(24): 2027-2034.

[19] QB/T 1997—2010, 照相明膠[S].

QB/T 1997-2010, Photographic Gelatin[S].

Experiment Study on the Protective Performance of Naturally Aged Soft Bulletproof Vests on Gelatin Target

CAO Yan-feng1, WEN Yao-ke1*, SUN Fei2, XU Cheng1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. First Research Institute of the Ministry of Public Security, Beijing 100048, China)

In order to study the protective performance of naturally aged bulletproof vests on human body, the work aims to conduct the impact experiment to examine the blunt impact effect of handgun bullets on gelatin targets with protective measures. The instantaneous concavity in the gelatin target during blunt impact was photographed by high-speed photography to determine whether natural aging affected the protective performance of bulletproof vests. The experimental results showed that, under the protection of bulletproof vests aged over 10 years, the average instantaneous maximum concave depth in the gelatin targets was 23.32 mm and the average maximum diameter was 70.08 mm. In comparison, for gelatin targets protected by new soft bulletproof vests, the average maximum concave depth was 28.76 mm and the average maximum diameter was 66.59 mm. The natural aging for 10 years does not significantly affect the bullet-resistant performance of the soft bulletproof vests. This study provides reference information for extending the safe service life of naturally aged soft bulletproof vests.

naturally aged; ultra-high molecular weight polyethylene; soft bulletproof vests; gelatin; blunt impact

TQ317.6

A

1001-3563(2023)21-0018-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.003

2023-09-05

國家自然科學(xué)基金（11872215）；瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（6142606212105）

通信作者

責(zé)任編輯：曾鈺嬋