В пуленепробиваемых шлемах используются улучшенные волокна.

Ароматические полиамидные волокна, используемые в области баллистической защиты, в основном включают параарамид (арамид 2) и гетероциклический арамид (арамид 3).

Параарамид впервые был применен армией США в области баллистической защиты. Они использовали параарамид в качестве армирующего волокна для разработки композитных материалов, заменяя металлические материалы для изготовления пуленепробиваемых шлемов. Практика показала, что благодаря превосходным свойствам самого параарамида, таким как сверхвысокая прочность, высокий модуль и низкая плотность, баллистические характеристики его композитных материалов значительно лучше, чем у стальных шлемов, при этом достигая легкости пуленепробиваемых шлемов.

В настоящее время наиболее широко используемые пуленепробиваемые шлемы в мире по-прежнему изготавливаются из параарамида. Однако параарамид также имеет определенные дефекты. Например, под воздействием ультрафиолетового света макромолекулярные цепи параарамида будут разрываться, что приведет к значительному снижению защитных свойств. В настоящее время промышленно производимые параарамидные продукты в основном включают Kevlar от DuPont в США, Twaron от Teijin в Японии, Heracron от Kolon в Южной Корее и Taparon от Yantai Tayho Advanced Materials Co., Ltd. в Китае.

Структурная модификация параарамида может быть осуществлена ​​путем введения структуры бензимидазола для разработки гетероциклического арамида. Гетероциклический арамид не только имеет лучшие механические свойства, чем параарамид, но и устраняет недостатки параарамида, такие как плохая устойчивость к ультрафиолетовому излучению, тем самым расширяя область его применения. В Китае разработаны пуленепробиваемые шлемы из гетероциклического арамида. По сравнению со шлемами из параарамида с тем же уровнем защиты их вес может быть уменьшен на 20–30%.

Волокно UHMWPE появилось в 1970-х годах. Его прочность на разрыв является самой высокой среди всех промышленных высокопроизводительных волокон. Его прочность превышает прочность арамида, а его плотность ниже, чем у арамида.

В начале 21 века, чтобы еще больше снизить массу пуленепробиваемых шлемов, армия США начала использовать волокно UHMWPE для исследования и разработки пуленепробиваемых шлемов. Поскольку волокно UHMWPE не имеет большой силы между молекулами волокна и не имеет активных групп на поверхности, при использовании в качестве композитного армирования сложно сформировать хороший связующий интерфейс с матрицей. Поэтому его чаще всего изготавливают в UD-тканях. Картикеян и др. использовали волокно UHMWPE и полиуретан для изготовления UD-тканей и обнаружили, что UD-ткань с рисунком ламинирования 0 градусов /90 градусов имеет наилучшие баллистические характеристики.

В настоящее время также проводятся исследования по модификации поверхности волокон UHMWPE для улучшения свойств связи интерфейса с матрицей смолы. Экспериментаторы использовали различные физические и химические методы для модификации волокон UHMWPE. Исследование показало, что различные методы модификации имеют свои преимущества и недостатки: метод электрической обработки может обеспечить непрерывную модификацию, но характеристики поверхностного связывания обработанного волокна UHMWPE Затухание серьезное; метод плазменной обработки оказывает значительный эффект модификации, но является дорогим и сложным для непрерывной обработки; метод химического травления не является экологически чистым и может легко повредить механические свойства самого волокна; метод модификации поверхностной фотопрививкой мало влияет на свойства волокна и модификацию Поверхностная адгезия волокна после волокна значительно улучшается, но существуют такие проблемы, как высокая стоимость и сложность непрерывной обработки.

Кроме того, сопротивление ползучести волокна UHMWPE плохое, и баллистически стойкие изделия, изготовленные из них, будут иметь серьезные вмятины сзади после удара баллистики. То есть задняя часть баллистически стойкого материала будет вмятой после деформации ударом боеголовки. В ответ на эту ситуацию модуль упругости при растяжении волокна UHMWPE увеличивается за счет увеличения относительной молекулярной массы и изменения процесса вытяжки, и уменьшается проблема вогнутости сзади в его изделиях.

Волокно ПБО — композитный армирующий материал, разработанный в США в 1980-х годах для развития аэрокосмической промышленности.

Сравнивая поглощение энергии композитными материалами из ПБО-волокна, арамидного волокна, полиарилацетатного волокна и углеродного волокна, было обнаружено, что композитные материалы ПБО способны поглощать больше энергии при проникающем ударе и имеют большой потенциал в области поглощения энергии для защиты от пуль.

Более того, сопротивление ползучести и модуль упругости волокна PBO также превосходят показатели большинства высокопроизводительных волокон, используемых в сфере пуленепробиваемости.

Однако волокно PBO также имеет некоторые проблемы в качестве армирующего волокна для композитных материалов, такие как непереносимость ультрафиолетовых лучей, низкая прочность на сжатие и плохая адгезия к интерфейсу смолы. Поэтому оно не получило широкого распространения в области пуленепробиваемости.

Молекулярные структуры волокон PIPD и волокон PBO показаны на рисунке 4. Видно, что молекулярные структуры этих двух волокон схожи, но уникальная трехмерная структура сетки водородных связей волокна PIPD обеспечивает ему лучшие характеристики связывания интерфейса, характеристики осевого сжатия и больший модуль упругости при растяжении.

Сравнение основных эксплуатационных параметров нескольких распространенных высокопроизводительных волокон приведено в таблице 1.

С развитием и изменениями времени у людей все более высокие требования к пуленепробиваемости пуленепробиваемых шлемов, а композитные материалы, армированные одним волокном, больше не могут отвечать требованиям защиты изделий. Различные высокопроизводительные волокна имеют разные характеристики, поэтому гибридные волоконные системы постепенно привлекают внимание. Гибридизация — это смешивание высокопроизводительных волокон с разными характеристиками для получения композитных материалов, которые могут придать композитным материалам лучшие свойства. Хорошее соотношение смешивания волокон и гибридная структурная система могут значительно улучшить баллистическую стойкость композитных материалов.

Испытатели будут смешивать параарамид и гетероциклический арамид в различных пропорциях и использовать композитные материалы, содержащие гетероциклический арамид, в качестве баллистической поверхности и тыльной поверхности для проведения испытаний на баллистические характеристики.

Результаты показывают, что когда композитный материал, содержащий гетероциклический арамид, используется в качестве баллистической поверхности, предельная баллистическая скорость V50 больше, и это более очевидно, когда массовая доля гетероциклического арамида в композите составляет от 30% до 70%. По мере увеличения количества гетероциклического арамида деформация пуленепробиваемого шлема после попадания уменьшается. Испытатели использовали композитные материалы UHMWPE и композитные материалы из параарамидного волокна в качестве баллистической поверхности и задней поверхности соответственно для проверки баллистической эффективности. Результаты показали, что когда композитный материал UHMWPE использовался в качестве поверхности шарового конца, а композитный материал из параарамида использовался в качестве задней стороны, когда характеристики баллистической защиты оптимальны, массовое соотношение композитов UHMWPE и параарамидных композитов составляет 50:50;

При использовании параарамидного композитного материала в качестве передней поверхности и композитного материала СВМПЭ в качестве задней поверхности массовое соотношение композитного материала СВМПЭ и параарамидного композитного материала составляет 70:30, при этом баллистические характеристики защиты оптимальны; массовое соотношение композитного материала с гибридной структурой. Баллистические характеристики лучше, чем у композитных материалов с одним волокном.

В качестве баллистической поверхности использовались композиты из углеродного волокна, а в качестве тыльной поверхности — композиты из стекловолокна и параарамидные композиты. После испытаний было установлено, что баллистическая стойкость полученных композитных материалов лучше, чем у чистого углеродного волокна, чистого стекловолокна и чистого одноволоконного композита из параарамида.

В настоящее время гибридные волоконные системы используются в больших количествах. Эта гибридная волоконная система, которая может использовать преимущества различных высокопроизводительных волокон, может помочь в дальнейшем улучшить защитные характеристики баллистического защитного оборудования.

(V50 относится к скорости падения пули, когда вероятность проникновения пули в испытываемый материал составляет 50%. Он количественно определяет пуленепробиваемость материала и является справочным индексом для оценки пуленепробиваемости материала. Чем больше V50, тем лучше пуленепробиваемость материала.)