不同增强体对体育运动的影响及分类

文献［237］中给出了在相同成型工艺条件下，不同类型增强材料（纤维含量为70%）的防弹性能，列于表4.3中。

表4.3　不同增强材料板的抗弹性能

由表4.3可知，芳纶纤维、芳纶纤维和高强玻璃纤维复合增强的复合材料在同一成型工艺条件下具有较好的抗弹体侵彻性能。因此，基于上述原因，复合材料选择为芳纶纤维、芳纶纤维与高强玻璃纤维的复合纤维。

根据文献［238-240］中的调研与分析，目前芳纶纤维广泛使用于人体、舰船、车辆及飞机等装备中的防弹板，其特点是具有高的比强度和较好的耐高温性能，在弹体的高速冲击下，芳纶纤维抗拉强度和延伸率比静态性能均有较大的提高；高强玻璃纤维的最大优点是经济性好，其价格仅为芳纶纤维的1/4左右，且相对于芳纶纤维具有较高的强度、刚度和延伸率，但由于密度较大（2.5 g/cm3），综合抗弹体侵彻性能稍逊于芳纶纤维；聚乙烯纤维与芳纶纤维相比，具有更高的比强度和更低的密度（0.97 g/cm3），但其最大的缺陷是使用温度只有90℃，耐热性能是聚乙烯纤维存在的突出问题。综上所述，抗破片侵彻的复合结构可采用芳纶纤维或芳纶和高强玻璃纤维复合纤维增强材料。若采用芳纶和高强玻璃纤维复合纤维增强材料，需要根据两种纤维材料的特点，合理利用各自抗弹性能中的优势，即利用高强玻璃纤维强度和刚度高的特点，将其作为防弹板的前置板，抵御破片的开坑侵彻；利用芳纶纤维动态抗拉强度和延伸率较高的优势，将其作为防弹板的后置板，将贯穿前置高强玻璃纤维板的破片兜住。

由于芳纶纤维、高强玻璃纤维具有高强、高模和轻质的特点，使其表现出优异的抗弹性能。纤维织物的物理性能是由纤维决定的，也受到织物结构（织物组织、经纬密度、纱线细度和织造加工）的影响。通常，完善的织造加工，拉伸强度能够保持90%～95%。平纹组织的特点：具有平衡的结构，相对紧密；斜纹组织：通常采用粗纱，结构较松，用于厚重织物；缎纹组织：纱线交织点少；纱线在外力作用下容易产生相对滑移。

此外，Karahan等［241］认为，由于交织作用的存在，机织物中的纱线必定存在弯曲，当织物表面受到冲击作用时，作用力就会产生水平方向的分量Fx和垂直方向的分量Fy，如图4.1所示。作用力将导致纱线之间产生严重的相对滑移，损伤加剧。自由纤维在拉伸载荷下，仅受到单纯的正应力；而织物中的纤维受力状态相对复杂，不仅受到正应力，还受到了横向的拉应力，如图4.2所示。纤维截面上受到拉应力和弯曲应力的共同作用，产生的和应力是拉应力的5倍。因此，织物中的纤维比自由纤维更容易断裂。

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图4.1　受弹道冲击机织物纤维中的应力

图4.2　织物纤维受横向力的分析

文献［242］以改性丁苯橡胶为基体，分别采用芳纶纤维无纬布和平纹布制备复合材料板，进行抗弹性能测试，试验得到的弹道极限速度列于表4.4中。

表4.4　不同织物结构复合材料板的弹道极限速度

由表4.4可见，无纬布复合材料板的抗弹性能优于平纹布复合材料板。分析原因如下：平纹布复合材料板受弹体冲击时，张力波通过织物的纤维传播，在纤维交错点部分反射，因反射波的振幅与张力波的振幅具有相同的方向而使两种波叠加，导致纤维断裂；无纬布复合材料板因纤维呈单向铺层，不存在交错点，能有效地减少张力波的反射，因此，无纬布复合材料板具有更好的抗弹性能，与Karahan等的结论相一致。

综上所述，从弹道防护的要求和工艺实施两方面进行考虑，可选择无纬织物形成单层织布，然后由多层织布层压成板。