综述：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强复合材料的抗穿刺性能及其机理：结构、影响因素及当前研究方法的综述

《Thin-Walled Structures》：Penetration Resistance Performance and Mechanisms of UHMWPE Fiber-Reinforced Laminates: A Review of Structures, Influencing Factors, and Current Approaches

　　• 层压配置的优化和混合层压板的设计在很大程度上依赖于材料本身的性能、特定的冲击速度范围以及预期的防护目标。• 目前，基于物理的多方法耦合和多尺度混合建模仍然是实现高精度预测能力的实际和技术上可行的途径。• 由于损伤机制与能量吸收和转换过程密切相关，建立一个更加明确和全面的多物理场耦合穿透模型仍然具有挑战性。• 将渐进式损伤机制和尺度分析等理论集成到深度学习中，形成可解释的多物理场数据驱动方法，可能是研究层压板抗穿透机制的未来方向之一。

**引言**
弹道复合材料被设计为能够抵抗高速弹丸和碎片的穿透，这是冲击动力学和材料科学交叉领域中的一个关键研究课题[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这一核心功能是通过材料的变形、损伤和能量吸收机制来实现的。在军事和安全应用中，这些材料不仅用于个人防护装备（如防弹衣和头盔），还用于装甲车辆、飞机（例如直升机）和海军舰艇的轻量化防护结构设计。随着全球安全形势的复杂化和威胁的多样化，对这些材料提出了更高的要求。需要在不影响轻量化设计、灵活性和多功能集成进步的同时，提高其防护效能。这一需求推动了该领域不断朝着高性能、新型结构和智能解决方案的发展[6]、[7]、[8]。

**当前的弹道复合材料**
目前用于个人防护的弹道复合材料主要分为软纤维装甲和硬质复合层压板，具体结构包括编织结构和单向（UD）非压缩成型结构。高性能纤维，如芳纶和超高分子量聚乙烯（UHMWPE），因其优异的比强度、比模量和能量吸收能力而成为轻量化弹道系统的优选材料[9]、[10]。特别是UHMWPE纤维，其密度低于水，并具有高度有序的晶体结构，展现出出色的弹道性能，已被用于各种复合材料中，例如Dyneema?[11]、[12]、[13]。作为典型的纤维增强复合材料，UHMWPE层压板的最终性能由增强材料（纤维）、基体材料（树脂）和制造工艺决定。其高抗冲击性能的核心在于UHMWPE纤维本身，这种超高性能来源于凝胶纺丝和超拉伸工艺所形成的独特微观结构。该工艺使分子链的取向度（>95%）和结晶度（高达85%）达到理论值，赋予纤维接近理论值的晶体强度和模量[14]。因此，UHMWPE纤维具有出色的机械性能：密度低于1 g/cm3，抗拉强度为2.5-3.8 GPa（比高质量钢的高约15倍），抗拉模量约为116 GPa，断裂伸长率为3-6%，远高于大多数高性能纤维，从而导致更大的断裂能量。此外，它还具有抗化学腐蚀和磨损的能力[15]、[16]、[17]、[18]。至关重要的是，作为一种熔点极低的熱塑性纤维（约-120°C），且分子间作用力 mainly 为分散力，它在高速冲击下表现出显著的韧性和能量吸收能力。然而，高速冲击往往会引发严重的背面变形（钝伤）、严重的分层以及由UHMWPE层压板中的热效应导致的UHMWPE纤维熔化断裂[19]，这些早期失效模式仍需要在未来的UHMWPE纤维复合结构优化设计中得到解决。

**复合材料的层压结构和粘合剂的作用**
在复合材料的单向织物和层压板中，基体粘合剂的作用不是传统的“强粘结”，而是功能性的“适度耦合”。其弹道机制要求基体在弹丸冲击时有效地传递应变波，从而促进纤维的广泛拉伸变形以吸收能量，并允许控制层间分层以进一步耗散能量[20]、[21]、[22]。研究表明，UHMWPE纤维复合材料的能量吸收效率明显优于碳纤维、芳纶和玻璃纤维复合材料，使其成为轻量化弹道材料的理想候选者[23]、[24]、[25]。然而，在实际应用中，UHMWPE纤维增强复合材料仍面临一系列挑战，包括与基体和其他材料的界面粘结强度低、耐热性差以及易发生蠕变等问题，这些因素限制了它们在极端环境下的长期使用寿命[26]、[27]。表面改性方法旨在改变UHMWPE表面以改善界面性能；然而，这些方法也会引入纤维机械性能下降和环境污染等问题[28]。此外，UHMWPE纤维增强复合材料的抗穿透机制仍然不明确，系统性地研究和量化层压板内部的渐进式损伤机制也缺乏。

**全球性的失效研究**
鉴于复合材料工程师可用的众多失效判据往往缺乏实质性的实验验证，1998年开展了一项全球性的失效研究。Puck模型因其一套革命性的失效判据而胜出，该模型能够准确识别失效模式。该模型源自他的博士论文，并结合了Hashin的见解[29]、[30]，能够明确区分纤维增强层压板中的不同失效模式，并量化层压板层间失效的影响。与Tsai-Wu等著名的全球性判据模型不同，Puck模型能够模拟层压板的渐进式失效过程[32]。随着数值仿真技术的进步，现在可以使用三维实体单元对失效过程进行建模。Abaqus等仿真软件可以有效地描述包括分层、基体开裂和纤维断裂在内的损伤模式。然而，微观裂纹的起始和扩展路径仍难以通过实验来再现，因此需要开发更高效的数值仿真技术。

**研究重点**
本文从UHMWPE复合材料的各种防护应用开始，逐步聚焦于单向（UD）结构，这种结构在弹道防护方面具有优越性。对于UHMWPE UD层压板，现有研究涵盖了广泛的加载条件，包括准静态、低速落锤冲击、中速和高速弹道冲击以及超高速冲击。因此，选择中速和高速弹道冲击作为进一步讨论的主题。主要讨论了影响UHMWPE纤维增强层压板弹道性能的因素，以及其内在抗穿透机制的理论和发展趋势，旨在深入理解这些层压板的抗穿透行为。具体探讨了中速和高速冲击速度与其他影响因素之间的耦合效应，基于抗穿透实验和数值仿真进行研究和分析。综述的内容包括UHMWPE UD纤维增强层压板的冲击实验、数值仿真、损伤分析和理论模型，并详细阐述了结合尺度分析和深度学习的研究趋势，表明基于经典理论和新兴技术的跨学科和多领域研究有助于快速推进纤维增强层压板的抗穿透研究。最后，总结了UHMWPE为代表的纤维增强层压板抗穿透研究的当前进展和未来前景，为其在轻量化高性能防护结构中的设计和应用提供了技术参考和理论基础。

**结论与未来趋势**
本综述主要总结了UHMWPE纤维增强层压板的弹道性能和抗穿透机制的研究。在穿透过程中，多种失效模式的共存使得潜在的损伤机制难以量化和分离。然而，由于这些机制与能量吸收和转换密切相关，建立更加明确和全面的能量模型仍然是一个重要挑战。

**作者贡献声明**
Guangfa Gao：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
Lizhi Xu：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
Yilei Yu：撰写 – 审稿与编辑。
Xuan Zhou：撰写 – 审稿与编辑。
Yiding Wu：撰写 – 审稿与编辑。
Wencheng Lu：撰写 – 审稿与编辑。
Kaiying Wang：撰写 – 原初草稿。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**
本工作得到了以下支持：
1. 中国国家自然科学基金（项目编号：U2341244, 12172179）；
2. 解放军高级工程研究院靶材脆弱性评估国家重点实验室开放研究基金（项目编号：YSX2024KFYS003）。