刘克杰1，高虹2，黄继庆2，黄献聪3，王凤德1，彭涛1
（1.中蓝晨光化工研究设计院有限公司，成都610041；2.北京雷特新技术实业公司，北京100074；3.总后勤部军需装备研究所，北京100010）
摘要：选用两种不同型号芳纶，通过单向复合工艺分别制造成靶板。以NIJ ⅢA标准通过弹道试验，测试出两种靶板的弹坑凹陷深度与子弹穿透层数差异，并进一步通过测试两种芳纶S E A值比较其防弹性能差别，结果表明，芳纶Ⅲ抗弹性能比芳纶Ⅱ提高近30%。最后讨论了纤维力学性能对其防弹性能的影响，指出更高的拉伸强度和断裂伸长率是芳纶Ⅲ抗弹性能更优的主要原因，并预测芳纶Ⅲ的抗弹性能还有进一步提升的空间。 关键词：芳纶Ⅲ；芳纶Ⅱ；防弹性能；研究
中图分类号:TQ342.733; TQ342.722 文献标识码: A 文章编号:1007-9815（2014）01-0040-05
Study on bulletproof performances of Aramid Ⅲand Aramid ⅡLIU Ke-jie1, GAO Hong2, HUANG Ji-qing2, HUANG Xian-cong3, WANG Feng-de1, PENG Tao1
(1.Hing Performance Fiber Section, R & D Center, China Bluestar Chengrand Chemical industry Institue, Cheng Du 610041 China; 2.Beijing Rate New Technology Corporation, Beijing 100074 China; 3.The Quartermaster Equipment Institute of the General Logistics Department, Beijing 100010 China)
Abstract: The authors used two different types of Aramid to make into target plate through unidirectional composite process. According to NIJ ⅢA standard, the authors also tested differences of crater dent depth and bullet penetration layers of two kinds of target plate by the ballistic test, and further compared to differences of their bulletproof performances by testing two kinds of Aramid SEA value, the results showed bulletproff performances of Aramid Ⅲnear 30% higher than that of Aramid Ⅱ. Finally, the authors discussed the effect of mechanical properties on the bulletproof performances of fiber, and pointed out that the higher tensile strength and elongation at break are main causes of that the bulletproof performances of aramid Ⅲis better than that of aramid Ⅱ, and predicted that there is still space for further improvement about the bulletproff performances of aramid Ⅲ.
Key words: Aramid Ⅲ; Aramid Ⅱ; bulletproff performances; study
芳纶Ⅱ又称芳纶1414（D u P on t公司商品名Kev lar®），全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，最早由美国DuPont公司研制，于1972年实现工业化生产并进入市场。芳纶Ⅱ的发明与工业化是有机特种纤维发展的一个重要里程碑。芳纶Ⅲ类似于俄罗斯的Armos纤维[1]，是一种三元共聚杂环芳香族聚酰胺纤维，它可以看作是在芳纶Ⅱ分子链基础上加入第三单体后得到的一种改性纤维。第
收稿日期:2014-01-13
作者简介：刘克杰（1973-），男，四川简阳人，硕士，从事芳纶等特种纤维的研发工作，(电话)159****5362() *************。
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三单体的加入增强了高分子链的柔性结构，并提 高了纤维的力学性能和表面性能。芳纶Ⅱ与芳纶 Ⅲ的分子结构式见图1。
变压器防盗报警器H
n
芳纶Ⅱ(PPTA，Twaron ®，Kevlar ®，芳纶1414)
艺制造。但总体来说，在同等面密度下无纬布的
仓库管理流程
防弹效果要优于机织布，且随着面密度的提高， 无纬片层压板表现出更高的防弹能力[2]
。
实验采用芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ无纬布制造的靶板
进行防弹能力测试和比较。组成靶板的靶片由无
纬布以0°/90°方向叠合，其中使用树脂基体作为 胶粘剂复合而成。
无纬布的单向单层结构见图 2 。 无纬布以 0°/90°方向叠合的双层排列结构见图3。
芳纶Ⅲ
PPTA 采用晨光院Staramid F358纤维与日本TeiJin 公 司纤维Tw aron2000，分别制备成芳纶无纬布，然 后与一层防凹陷板和一层泡沫组成面积0.16 m 2的
图1 芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ的分子结构式
中蓝晨光化工研究设计院有限公司经过多年 努力，在芳纶Ⅱ分子链基础上引入含苯并咪唑的 杂环单体“5(6)-氨基-2-(4-氨基苯)苯并咪唑”， 成功地开发了独具特的芳纶Ⅲ生产工艺，生产 的纤维性能达到国内先进水平，产品广泛用于航 空航天、国防军工、防弹防爆及其它特种材料领 域。试验将对芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ的防弹性能进行比 较与分析研究。
1 试验部分
1.1 纤维原料
晨光院Staramid F358纤维（国产芳纶Ⅲ）与 日本TeiJin 公司纤维Twaron2000（进口芳纶Ⅱ）。 1.2 靶板制造
靶板由多层防弹布料组成。将纤维纺织成布 有两种类型：机织布和无纬布。前者通过织机进 行编织，后者则是通过特殊的单向复合（UD ）工
防弹靶板。Staramid F358纤维是试验样，采用不 同的制样条件制造了两组靶板样品；Tw aron2000 纤维是相对成熟工艺制备的防弹靶板。
1.3 测试分析 1.3.1 纤维测试
采用CMT6503型电子万能试验机对两种纤维 进行力学性能测试，预加张力0.02 c N/tex ，夹距 254 mm [3]。 1.3.2 靶板测试
采用NIJ ⅢA 级标准（子弹用9 mm 替代.357） 实弹测试芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ靶板的防弹性能，弹速 均采用上限进行试验。靶板与具体
测试条件如
下：
靶板样品：芳纶无纬布+防凹陷板+泡沫； 测试等级：NIJ ⅢA 级； 相关参数：测试用：9 mm Uzi 冲锋； 子弹：9 mm 巴弹； 子弹质量：8 g ； 射击距离：5 m ； 参考弹速：（436±9）m/s 。
图2 单层UD 布结构
图3 0°/90°方向叠合双层UD 布结构
2 结果与讨论
2.1 靶板弹道试验结果
分别用国产芳纶ⅢStaramid F358和进口芳纶ⅡTw aron2000，根据试验工艺制造成靶板样品，然后采用NIJ ⅢA级标准对两种芳纶制造的靶板进行弹道试验。试验结果见表1～3。
2.1.1 芳纶Ⅲ靶板防弹试验结果及讨论
采用表1所示芳纶Ⅲ靶板，其靶板弹坑凹陷深度最大为34.4 mm，最小为2.5 mm，平均为17.95 mm；其子弹穿透层数最大为6 层，最小为3 层，平均为4.5 层。
采用表2所示芳纶Ⅲ靶板，其靶板弹坑凹陷深度最大为34.1 mm，最小为10.3 mm，平均为26.4 mm；其子弹穿透层数最大为8 层，最小为7 层，平均为7.17 层。
可以看到采用两种不同制样条件制造的芳纶Ⅲ靶板的防弹性能都很优异。两个靶板弹坑平均凹陷深度和最大凹陷深度都达到NIJ ⅢA级规定的
＜44 mm的要求[4]。在子弹穿透层数上两个靶板的
表1 Staramid F358防弹靶板试验结果平均穿透层数与最大穿透层数都低于组成靶板UD 片层数的50%，均达到防弹应用要求。表1靶板的面密度更大和层数更多，所以其弹坑平均凹陷深度和平均穿透层数均低于表2靶板。2.1.2 芳纶Ⅱ靶板防弹试验结果讨论
表3所示Tw aron2000靶板试验结果，其弹坑凹陷深度最大为24.7 mm，最小为13 mm，平均为18.7 mm；其子弹穿透层数最大为10 层，最小为7 层，平均为8.7 层。可见芳纶Ⅱ靶板在弹坑凹陷深度与子弹穿透层数上均满足NIJ ⅢA 标准防弹要求与应用需要。
2.1.3 芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ防弹性能比较
比较表2与表3试验中芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ靶板的防弹试验结果，发现虽然其都满足NIJ ⅢA 标准防弹要求与应用需要，但是它们的面密度相差很大。芳纶Ⅲ靶板的面密度为4.5 kg/m2，芳纶Ⅱ靶板的面密度为6.82 kg/m2，这说明在同样达到防弹要求的条件下，芳纶Ⅲ纤维使用数量比芳纶Ⅱ纤维使用数量更小，靶板质量更轻。在现代战争、防暴和反恐行动中，防护装备的有效质量更轻意味着负荷更小和机动性更强，这是防弹材料发展的方向。所以芳纶Ⅲ的防弹性能明显优于芳纶Ⅱ。
据悉目前市场应用的芳纶Ⅱ防弹材料面密度
结构面密度/(g˙m-2) 弹速/(m˙s-1)弹坑凹陷
深度/mm
子弹穿透
层数/层通常约为6.0 kg/m2，UHMWPE防弹材料的面密度
32 层芳纶Ⅲ无纬布145±5448 34.4 5
438 26.3 3 1 层0.5 mm厚PC板600±5438 21.0 6
442 10.5 4 1 层5 mm厚泡沫200±10437 2.5 5
442 13.0 4靶板面密度32×0.145+0.6+0.2=5.44kg/m2
表2 Staramid F358防弹靶板试验结果最低约 5.5 kg/m2。而试验中芳纶Ⅲ防弹材料仅约 4.5 kg/m2，充分说明芳纶Ⅲ抗弹性能优异，在防弹领域应用潜力巨大。
2.2 靶板SEA 值
靶板尺寸为4 0 0 ×4 0 0 m m ，由面密度为（175±10）g/m2的无纬布共35 层组成，1951年制式7.62 m m铅心手弹在规定试验条件下进
行V50
表3 Twaron2000防弹靶板试验结果
结构面密度/(g˙m-2) 弹速/(m˙s-1)弹坑凹陷
深度/mm
子弹穿透
层数/层
结构面密度/(g˙m-2) 弹速/(m˙s-1)
弹坑凹陷
深度/mm
子弹穿透
层数/层
20 层芳纶Ⅲ无纬布185±5451 34.1 7
456 30.6 7 1 层0.5 mm厚PC板600±5450 29.5 7
452 10.3 8 1 层5 mm厚泡沫200±10447 22.9 7
449 30.8 7靶板面密度20×0.185+0.6+0.2=4.5kg/m228 层芳纶Ⅱ无纬布215±5444 20.2 8
451 24.7 7 1 层0.5 mm厚PC板600±5451 22.5 10
443 17.5 9 1 层5 mm厚泡沫200±10447 14.3 9
450 13.0 9靶板面密度28×0.215+0.6+0.2=6.82kg/m2
测试[5]，得到V50值后，再根据弹质量和靶板面密度计算出抗弹材料的SEA值。试验结果见表4。从表4可见，芳纶Ⅲ纤维制造的无纬布靶
板V50 值为572.1 m/s，SEA值达到153 Jm2/kg，这是一个相当高的试验数据。通常情况下使用Teijin 公司Tw aron2000采用相同的方法进行试验得到的SEA值一般约在120 Jm2/kg，也就是说芳纶Ⅲ比芳纶Ⅱ的SEA值提高近30%，提高幅度非常明显。
值得提出的是国产芳纶Ⅲ刚开始介入抗弹领域，而且本次试验所用纤维为Staramid F-358，如果采用强度更高的Staramid F-368纤维，防弹效果应该会更佳。因此通过对纤维性能进一步提升以及对靶板制备工艺的持续优化，芳纶Ⅲ的抗弹性能还有进一步提高的空间。
表4 芳纶Ⅲ靶板V 50与SEA 值
芳纶Ⅲ靶板
尺寸/mm 总面密度/(kg˙m-2) 总质量/kg
弹V50/(m˙s-1) SEA/(Jm2˙kg-1) 400×400 6 0.963 51式7.62 mm长管；7.62 mm铅芯手弹572.1 153
2.3 纤维力学性能对防弹能力影响
芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ同属于高性能有机纤维，都
是现代材料学发展推出的优质材料，都可应用于
军工和民品的各个领域。由于芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ之
间分子链结构、制造方法和聚集态结构差异决定
了其力学性能区别明显。芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ的力学
性能比较见表5。
表5 芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ力学性能比较
牌号密度/(g˙cm-3) 拉伸强度/GPa 拉伸模量/GPa 断裂伸长率Kevlar29 1.44 2.9 70 3.6%
Kevlar129 1.45 3.4 99 3.3%
Kevlar KM2 1.44 3.4 64 4.3% Staramid F-358 1.45 4.8 145 3.2% Staramid F-368 1.45 5.1 125 3.7%
Ke v la r29是Du po nt公司早期的防弹纤维，现在国内防弹领域主要使用其高强型产品Ke vlar129，而Kev lar KM2是其针对抗弹领域
新开发的防弹纤维，目前该牌号纤维对我国禁售，国内企业还无法购买到该产品。比较Kev lar129与Kev lar KM2的力学性能，发现两
者拉伸强度一样均为 3.4 GP a，区别仅在于断裂伸长率与拉伸模量。Ke v lar KM2伸长率由3.3%提高到4.3%，比Kevlar129提高了约30%；Kevlar KM2拉伸模量比Kevlar129更低。
Staramid F-358与Staramid F-368是中蓝晨光化工研究设计院有限公司的芳纶Ⅲ纤维。可以
看到相对于Staramid F-358，牌号Staramid F-368产品拉伸强度更高，断裂伸长率更高，拉伸模量更低。
实验采用Staramid F358与芳纶Ⅱ比较纤维的防弹性能。
纤维防弹性能的优劣主要决定于纤维拉伸强度和断裂伸长率的高低，相对来说纤维弹性
模量的贡献更小。Star am id F-358的断裂伸长
率与Kev lar129相当，分别为3.2%与 3.3%；
拉伸强度Staramid F-358则高出很多，比Kev lar129约高41 %，这就是两种材料防弹性
能差异的主要原因。
3 结语
固态负氢离子芳纶作为防弹材料，广泛用于防弹服、防刺服、防割服、防弹插板、防弹装甲、防弹头盔、防爆毯、防雷靴、军民用飞机等领域。相对于芳纶Ⅱ，芳纶Ⅲ防弹性能更优，制造的防弹材料更轻，而且不存在UHMWPE纤维具有的蠕变现象与不耐温问题。芳纶Ⅲ应用在现代战争和反恐中更利于发挥人员和装备快速机动的特点而赢得胜利。芳纶Ⅲ尤其适合制作高端防弹材料，如VIP 防弹服、先进装甲战车等装备，保障重要人员的人身安全与先进战车在陆地移动和空中运输过程中的快速机动能力。另外芳纶Ⅲ的防弹潜力还有待进一步挖掘，值得引起大家的持续关注。
参考文献
[1] K.E.Perepelkin, N.N.Machalaba, V.A.Kvaratskheliya.
Properties of armos para-aramid fibres in conditions of
use. comp arison wit h other p ara-aramids[J]. Fibre
chemistry, 2001, 33(2): 105-114.
[2] B. L. Lee, J. W. Song, J. E. Ward. Failure of Spectra®
锁时之盒Poly et hy lene Fiber-Reinforced Composit es under
Ballistic Imp act Loading[J]. Journal of Composite
Materials, 1994, 28(13): 1 202-1 226.
（上接第30页）
5 结束语
杂环芳纶作为芳纶家族的重要品种，在芳纶的发展史上具有重要的里程碑意义。为满足我国对高性能芳纶的应用需求，中蓝晨光化工研究设计院有限公司率先在国内开发出国产高性能杂环芳纶，即芳纶Ⅲ，牌号STARAMIDE F-3，已形成系列产品且已批量稳定用于军工领域。国产杂环芳纶的开发成功，
打破了国外垄断，解决了国防急需，推动了我国芳纶制备技术的发展，具有重要意义。今后，随着应用开发拓展及成本优化降低，杂环芳纶的应用领域将会逐渐扩大，在性价比方面具备竞争优势。
参考文献
[1] I. V. Tikhonov, A. V. Tokarev, S. V. Shorin, V. M.
Shchetinin, T. E. Chernykh and V. G. Bova. Chemistry
and T echnology of Chemical Fibers Russian Aramid
Fibres: Past-Present-Future[J]. Fiber Chemistry, 2013,
45(1): 1-8.
[2] 孙友德, 刘庆备. 俄罗斯杂环芳纶-概况与发展(一)[J].
高科技纤维与应用, 2004, 29(1): 8-10.
[3] 李晔. 对位芳纶的发展现状、技术分析及展望[J]. 合
成纤维, 2009, 38(9): 1-5.
[4] K. E. Perepelkin, N. N. Machalaba, V. A. Kvaratskheliya.
Properties of Armos Para-aramid Fibers in Conditions
of Use, Comparation with Other para-aramids[J]. Fiber
Chemistry, 2001, 33(2): 105-114.
[5] N.N. Machalaba, N.N. Kuryleva, L.V. Okhlobystina,[3] ASTM D7269/D7269M. Standard Test Methods for
电源转换电路Tensile Testing of Aramid Yarns[S]. 2011.
[4] NIJ 0101.06. Ballistic resistance of body armor[S].
2008.
[5] 王雷. V50试验方法和实际应用[J]. 中国个体防护
装备, 2008, (4): 36-41.
P.A. Matytsyn and I.A. Andriyuk. Tver’Fibers of The Armos Type: Manufacture and Properties[J]. Fiber Chemistry, 2000, 32(5): 319-324.
[6] I.V. Slugin, G.B. Skly arova, A.I. Kashirin and L.V.
Tkacheva. Rusar Para-Aramid Fibers for Composite Mat erials for Const ruct ion App licat ions[J]. Fiber Chemistry, 2006, 38(1): 25-26.
[7] K. E. Perep elkin. Chemical Fibers wit h Sp ecific
Prop ert ies for Indust rial Applicat ion and Personnel Protection[J]. Journal of Industrial Textiles, 2001, 31(2): 87-102.
[8] 彭涛, 蔡仁钦, 王凤德, 等. 成型过程中的芳纶Ⅲ纤维水晶簇
聚集态结构衍变[J]. 固体火箭技术, 2010, 33(2):
209-213.
[9] N. N. M achalaba, K. E. Perep elkin. Het erocy clic
Aramide Fibers-Product ion Principles, Properties and Application[J]. Journal of Industrial Textiles, 2002, 31(3): 189-204.
[10] K. E. Perepelkin, I.V. Andreeva, E.A. Pakshver and I.
Yu. Morgoeva. Thermal Characteristics of Para-aramid Fibres[J]. Fiber Chemistry, 2003, 35(4): 265-269. [11] H.Y. Huang, V.A Richmond. Comprehensive Composite
Materials[M]. Chapter 1.07: Aramid fibers. Elsevier, 2003: 199-229.
[12] 侯晓, 张炜, 王风德, 等. 芳纶Ⅲ纤维及其复合材料制
品研究进展[J]. 中国材料进展, 2010, 29(12): 59-62.
[13] 陈超峰, 王凤德, 彭涛, 等. 高性能纤维及其复合材料
与低碳经济[J]. 合成纤维, 2011, 40(1): 8-11.
[14] 王凤德, 陈超峰, 朱建生, 等. 对位芳纶在防弹领域的
应用[J]. 高科技纤维与应用, 2011, 36(3): 8-12.
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