单兵防弹装备是保障士兵生命安全的重要屏障，抵御子弹或破片侵彻并防止人体出现贯穿伤是对其性能评价的基本要求。但随着战场环境的复杂化，新一代的高性能单兵防弹装备不仅要保障士兵的生存能力，也要在最大程度上保障作战能力。防弹衣由防弹层和缓冲层组成，其性能包括防弹性能和防护性能。防弹层用于抵抗子弹侵彻，主要起防弹作用，而缓冲层用于削弱防弹衣冲击人体造成的防弹衣后钝性伤（Behind Armor blunt Trauma, BABT），主要起防护作用。传统的EVA、EPS和EPP等缓冲材料体系防弹衣虽然能够阻挡子弹穿透，但撞击产生的瞬时冲击波仍会通过各层介质传递到人体，致使人体出现 BABT，如内脏破裂、骨折、皮肤淤青等，从而严重影响士兵后续作战能力。因此，亟待在保证防弹衣防弹性能的基础上大幅提升防弹衣的防护性能，最终达到有效保护人员并延长作战人员战斗能力的目的。
针对现有防弹衣防护性能不足的问题，中国科学院力学研究所魏延鹏正高级工程师研究团队开发出一种针对冲击载荷具有自主调控能力的柔性智能抗冲击材料（Flexible Intelligent Anti-Impact Material，FIAM），并实现了基于力学环境的材料定向优化设计方法和工艺方案。将FIAM创新性地用于防弹衣缓冲层，重点研究了弹道冲击下FIAM的防护性能，从电子、原子、分子和宏观尺度阐述了FIAM的防护效应和冲击硬化机制，并系统分析了复合防弹衣的变形模式、能量传递和耗散等动力学行为。相关研究成果于复合材料力学领域的顶级期刊《Composites Science and Technology》在线发表，论文标题为《Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact》。
（1）FIAM柔性智能抗冲击材料
FIAM是一种力学性能随冲击载荷变化而改变的高分子聚合物，制备工艺如图1所示。在自然状态或低速冲击下，FIAM呈粘流态，不仅表现出柔软的凝胶特性，而且还具有比STF更为优异的可塑性、热稳定性和应用性。随着冲击载荷的增大，FIAM能够发生从粘流态到高弹态，甚至玻璃态的相变，宏观行为表现为模量的急剧增大，因而能够更好的抵抗冲击变形并吸收冲击能量。当冲击载荷消失后，FIAM不仅能够恢复至最初的粘流态，而且还能在断裂破碎后重新粘结，表现出优异的自修复特性。
图1 FIAM的制备工艺及其力学性能
（2）FIAM柔性复合防弹衣
研究团队将FIAM用作防弹衣缓冲材料，将其制成圆饼形“护心甲”（直径10 cm、厚度0.5 cm）。在原有EVA缓冲层基础上，将“护心甲”填充于心脏部位—BABT重要靶器官，对其进行增强防护，然后与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）防弹层复合形成了一种柔性防弹衣，如图2所示。根据《GA141-2010警用防弹衣》二级防弹标准，建立由子弹、防弹衣和背衬材料（等效人体）组成的弹道冲击实验平台，并用子弹冲击心脏防护部位。同时，基于LS-DYNA有限元分析软件建立相应的有限元模型，以研究防弹衣的动力学行为。最终，根据防弹衣对人体的冲击压力和人体凹陷深度（BFS），评估防弹衣对人体的防护性能。
图2 复合防弹衣结构图
（3）FIAM的防护性能
利用Tekscan分布式压力传感器测量防弹衣对人体的冲击载荷与时空分布，实验结果表明：相对于传统EVA缓冲材料（2861.61 kPa），FIAM（1571.08 kPa）可将防弹衣对人体的冲击压力降低45%，如图3所示。在冲击压力的演化过程中，我们发现：EVA防护下的冲击压力始终呈现出中心高四周底的“山峰型”分布，而FIAM防护下的冲击压力会由冲击开始时的“山峰型”分布逐渐转变为中间低四周高的“山谷型”分布。这就表明FIAM能够将更多的冲击能量向四周分散，从而降低了冲击中心区的冲击压力。
作为防弹衣防护性能的关键指标，FIAM和EVA防护下的人体凹陷深度（BFS）均满足相关标准（中国25mm、美国44 mm），并且FIAM防护下的BFS比EVA防护降低48%，如图4所示。同时，结合数值模拟得到，弹道冲击下FIAM不仅能够吸收更多的冲击能量，而且传递给人体的能量也更少，因而可以大幅降低弹道冲击造成的人体钝性损伤。
图4 EVA与FIAM材料的防护性能比较
（4）FIAM的防护机理
FIAM的防护机理主要表现为材料中存在动态可逆的B-O交联键，B-O键的断裂与形成受冲击载荷的影响，继而影响着分子链的缠结与解缠结，最终促使了FIAM能够发生粘流态、高弹态和玻璃态之间的可逆相变。无弹道冲击时，B-O键的断裂快于FIAM的形变，导致分子链的缠结密度较低，FIAM较弱的“阻塞”效应而表现柔韧性较好的粘流态。随着冲击载荷的增大，B-O键的断裂跟不上FIAM的形变，来不及断裂的B-O键导致分子链缠结密度增大，FIAM“阻塞”效应的增强以及分子链作用力的增大，致使FIAM表现出高弹态，甚至玻璃态，从而能够更好的抵抗冲击变形并吸收冲击能量，如图5所示。
图5 FIAM的防护机理
（5）复合防弹衣的动力学响应
根据子弹、防弹衣和人体的动态力学响应特性，将其分为冲击变形、防弹衣破坏与分层、防弹衣鼓包与回弹、人体永久凹陷形成四个阶段，如图6所示。其中，人体凹陷程度是影响防弹衣防护性能的重要因素，也是造成人体损伤的重要原因，并且与防弹衣对人体的冲击强度正相关。值得注意的是，按照现有防弹衣防护性能评估标准，人体凹陷深度（BFS）低于25 mm，即认为防弹衣具备有效的防护效应。对于无缓冲层的防弹衣，BFS也能满足该指标，但按照现有人体力学损伤判据，人体内脏却出现了严重的钝性损伤。这就说明未考虑人体力学响应的BFS标准具有一定的局限性，并且单独的防弹层不足以有效保护人体，而需要利用防弹衣缓冲层实现进一步的增强保护。
图6 防弹衣的动力学响应过程
（6）FIAM的应用前景
基于FIAM独特的力学特性，围绕典型冲击防护应用场景，研究团队相继开发出FIAM-PU、FIAM-EP和FIAM-EVA和FIAM-TPE等功能型复合材料。复合材料展现出优异的柔韧性、可塑性和抗冲击性能，在高端电子防护、装备防护、个体防护等领域具有非常广阔的应用前景（图7），现阶段已通过知识产权授权形式与北京中科力信科技有限公司合作进入产业化应用推广阶段。
图7 FIAM的应用场景
随着单兵防弹装备的升级和发展，在满足防弹性能基本需求的同时，防护性能的提升始终是个体防护装备追求的终极目标。本文将具有冲击相变效应的FIAM柔性智能抗冲击材料应用于防弹衣缓冲层，能够明显降低防弹衣对人体的冲击载荷和人体的凹陷深度，继而可以达到显著降低BABT并有效保护人体的目的。同时，基于防弹衣动力学行为和防弹衣缓冲层重要性的研究，不仅能够为防弹衣的设计和性能提升提供有益的指导，也可以加强人们对防弹装备防护性能的重视。
原始文献：Tang F, Dong C, Yang Z, Kang Y, Huang XC, Li MH, Chen YC, Cao WJ, Huang CG, Guo YC, Wei YP*. Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact[J]. Composites Science and Technology, 2022, 218: 109190.
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