纤维增强聚合物复合材料在国防创新中的最新进展

摘要：在军事领域，防护装备对保障部队安全至关重要，能使士兵在冲突区域凭借功能性系统勇敢作战。弹道防护指通过特殊设计的材料和系统，保护穿戴者的身体与头部、装甲车辆以及防御设施免受不同尺寸、形状和冲击速度的子弹、抛射体及破片伤害。纵观历史，人类始终致力于防御各类威胁，如武器和尖锐物品，为此曾使用兽皮、木盾和金属盾等多种材料作为护具。然而，现代材料科学的进步催生了纤维增强的高性能聚合物复合材料。与传统金属材料相比，这类人造纤维增强聚合物复合材料具有耐久性高、刚度强、耐腐蚀以及轻量化等优势，可显著提升车辆和单兵的机动性与作战能力。

关键词：国防、纤维增强复合材料。

防弹衣作为一种防护装备，旨在保护人体在战争或其他危险情境中免受子弹及多种高速抛射体的伤害。根据材料类型，通常分为软质防弹衣和硬质防弹衣两类。硬质防弹衣由强化聚合物、金属板、陶瓷及复合材料等坚固物质构成，供军事人员在高风险任务中抵御高速子弹或抛射体。但其刚性与重量会限制穿戴者的活动范围。而软质防弹衣因采用多层高性能纺织物，更轻便灵活，适用于安保人员防御手枪、霰弹枪等低速武器攻击。其防护层通常由20-40层高性能纤维编织物或单向织物缝合而成，虽仍存在一定厚度与重量，但已大幅改善活动受限问题。当前研究聚焦于开发强韧、轻量且低成本的防弹系统。根据防弹标准，子弹击中时必须被阻挡，且对陶瓷背板的穿透深度不得超过1.73英寸。Spectra、Twaron、凯夫拉及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等人造纤维的应用，显著提升了防弹衣的轻量化与灵活性，突破了传统金属材料的局限。例如，Naveen等人采用环氧树脂基凯夫拉材料通过手工铺层与热压工艺（105°C、275巴压力下1小时）制成硬质防弹板。Chang等人的研究表明，剪切增稠流体（STF）结构与聚脲弹性体/凯夫拉布复合的装甲，其抗冲击性能优于传统凯夫拉织物。此外，高强度复合层压板比常规防护材料减重17%，且厚度更薄。

高性能纤维制造技术的前沿突破，推动了具有更强防护能力的先进复合材料发展。这类复合材料采用混合系统设计，包括合成纤维与天然纤维的层压组合，以及纳米颗粒作为次级添加剂，从而提升弹道性能、增强柔韧性并减轻重量。Kędzierski团队通过实验发现，UHMWPE/芳纶混杂复合材料中，UHMWPE层表现出更优异的抗弹效能。da Luz的研究对比了两种硬质装甲材料：UHMWPE合成纤维复合材料与30%菠萝叶纤维（PALF）增强环氧复合材料。结果显示，陶瓷面板配合PALF/环氧复合结构的抗弹性能与Dyneema板相当。da Silva团队则研究了紫外线照射对芳纶/卡拉乌纤维混杂复合材料性能的影响（图1所示为制备流程示意图）。暴露300至600小时后，材料出现分层、分子链断裂及聚酯树脂交联增强等现象。

图1. 卡拉乌纤维增强芳纶混杂复合材料制备示意图

头盔是另一种专为保护头部、耳朵和颈部而设计的关键防护系统，用于防止子弹穿透以及抵御爆炸物或其他碎裂源产生的破片伤害。此外，头盔应有效保护大脑免受因弹体通过内部泡沫层延迟传递能量而造成的创伤性损伤，这种能量传递可能导致背面变形（BFD）。过去，钢材被用于制造保护士兵免受爆炸和子弹等常见威胁的头盔。然而，其过大的重量成为主要缺点。由于用户使用问题和新型弹道材料的探索，防御头盔的组件和设计随着时间推移不断变化（如表1所示）。

表1 战斗弹道头盔的历时演进 

文献已对防护头盔材料抵抗高能子弹穿透的性能进行了广泛研究。最常用的芳纶复合材料凯夫拉因其高模量、优异的强度重量比和抗冲击性而成为首选。此外，比凯夫拉更强更轻的新型材料是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。

近年来，现代战斗头盔的设计较早期版本发生了显著演变。这主要归功于材料技术的进步。聚合物复合材料头盔因其更轻的重量和更高的韧性而被开发出来替代钢盔。这既提高了士兵在战斗中的机动效能，又保持了高水平的防护性能。

研究集中在通过改进的纤维增强复合材料和纳米技术，在不增加重量的情况下开发能提高防护性、耐用性和弹道抵抗能力的头盔。据报道，Nasser等人研究了氧化锌改性玻璃纤维增强聚合物基复合材料的弹道性能。玻璃纤维增强复合材料的界面剪切强度因此提高了96%。

纳米颗粒由于纤维拔出和断裂、键合形成以及界面力的作用，比宏观纤维具有更大的能量吸收影响。范德华力和共价键提高了颗粒与基体之间的剪切强度和结合力，而宏观纤维的结合能主要来自静电力。

纳米填料在增强聚合物基纳米复合材料的能量吸收方面显示出巨大潜力。例如二氧化钛、碳化硅、碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、碳纳米管和有机粘土等。Daungkumsawat等人近期发表的一项进展涉及由聚（苯并噁嗪-co-聚氨酯）基体制成的纳米复合材料，该材料采用芳纶织物和多壁碳纳米管（MWCNTs）增强。该研究考察了MWCNTs重量百分比在0%到2%之间变化对头盔弹道和机械特性的影响。研究结果表明，0.25%的最佳浓度提供了最佳的机械性能，包括提高的拉伸强度、减轻的重量和增强的用户安全性。

Laurenzi等人的类似工作研究了多壁碳纳米管（MWCNTs）对纳米结构复合材料抵抗性能的影响。含有0.1 wt% MWCNTs的复合材料表现出44%的能量吸收能力提升，而含有0.5 wt% MWCNTs的复合材料则显示出56%的增长。这些结果表明，MWCNTs可以极大地增强由凯夫拉K29纤维制成的环氧复合层压板的弹道性能。

挑战和未来发展
尽管纤维增强聚合物复合材料具有诸多优势，但其应用也面临一些挑战。由于弹道威胁的不断变化，开发能够成功抵御新型先进攻击手段的材料十分困难。由于对手总是在寻找突破现有防御的新方法，实现最佳性能（特别是在韧性、耐用性和能量吸收方面）仍然是一项具有挑战性的任务。这需要不断改进材料的弹道性能。开发FRP复合材料过程中的主要障碍之一是缺乏对纤维-基体表征的认识。虽然基础设计和制造技术已经具备，但为了在多个学科中应用，需要理解FRPCs组分的重要材料特性。弹道材料技术的发展至关重要，但可持续实践的实施却很困难。目前FRPCs的回收或处置选择很少，因为纤维和聚合物基体难以分离，这引发了环境问题。需要在性能和生态因素之间保持平衡，因此需要明智的材料选择、生产和处置方法。此外，材料和制造成本是原材料中的关键问题之一，特别是对于需要芳纶或碳纤维等高性能纤维的高级应用而言，这些材料通常比金属等传统材料更昂贵。在高性能材料需求和实用性之间取得平衡具有挑战性，特别是在需要大量资源的生产过程中。

FRP复合材料的未来为通过克服当前挑战和利用创新机会来增强弹道性能提供了广阔前景。复合材料的研究方向集中在减重、改善性能、开发具有成本效益的制造工艺以及改进回收策略。为了减少FRP复合材料对环境的影响，可持续纤维和生物基聚合物的创新也正在研究中。随着各行各业继续寻找轻质、坚固且适应性强的材料，预计FRP复合材料的需求将会增加，其应用范围也将扩大。将纳米技术与复合材料相结合可以增强其强度和能量吸收能力，从而使其更适合抗冲击应用。这对于头盔和防弹衣等应用尤为重要。此外，通过集成智能功能（如用于态势感知和健康监测的传感器以及夜视装置）来生产具有更高舒适性和防护性的头盔，对于军事和安全用途至关重要。

参考资料：

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.