陶瓷複合材料數值模擬及抗彈性能研究117-122)(2017-02).pdfgoldflex...

JHGT 2017.02, Vol.24, No.2(117-122) Journal of the Hwa Gang Textile 華岡紡織期刊第二十四卷第二期 ISSN 1025-9678 http://www.jhgt.org.tw/pdf/jhgt-24.2(117-122)(2017-02).pdf

117

陶瓷複合材料數值模擬及抗彈性能研究 The Antimicrobial Waterproof and Moisture Permeable Membrane by Using Micron Type TPU Fiber

陳緯倫 1, 陳幼良 1, 巫孟樵 2, 黃欽裕 2, 盧久章 1, 林佳詩 3 Wei-Lun Chen1, Yu-Liang Chen1, Meng-Chiau Wu2

, Chin-Yu Huang2, Jiu-Zhang Lu1, Chia-Shin Lin3 1國防大學理工學院動力及系統工程學系，2國防大學理工學院國防科學研究所，3國家中山科學研究院

1Department of Power Vehicle and Systems Engineering, CCIT, National Defense University 2School of Defense Science, CCIT, National Defense University, 3 National Chung-Shan Institute of Science & Technology

陳緯倫：[email protected]

摘要

本研究在實驗上使用點 30 穿甲彈對氧化鋁搭配 Dyneema 及 Goldflex 纖維組成之陶瓷複合材

料進行抗彈性能評估，，並以數值模擬分析，，比照實驗結果建立模擬破壞的真實性，陶瓷與纖維

具備不同的抗彈特性，，陶瓷功能為磨耗投射體並降低其衝擊動能，，纖維則是支撐陶瓷並以其拉

伸強度吸收彈頭的殘餘動能，彈道測試結果顯示兩者纖維作為背板材料時吸收能量相近，，但以

變形量而論，Dyneema 變形量大於 Goldflex，且以 Dyneema為背板材料時，陶瓷及纖維板有

明顯的脫層現象

關鍵字：陶瓷複合材料, Goldflex, Dyneema

Abstract

The ballistic resistance capability of composite consisting of ceramics (Al2O3) with two kinds of fiber

backplate (Goldflex & Dyneema) shot by 0.30 AP bullet was investigated in this project. Ballistic

resistance mechanism of ceramics and fiber are different. The front plate of high-hardness ceramic is

used to passivate the bullet and limit the bullet’s capacity to puncture in the first. Second, when the

bullet hits the metal or high-tensile backing, the backing undergoes plastic deformation and absorbs the

bullet’s residual energy. Results of ballistic test showed that the energy absorption of both specimens

were similar. However, Dyneema deformed more than Goldflex and delaminated with ceramics.

Keyword：Ceramic Composite, Goldflex, Dyneema

http://www.jhgt.org.tw/pdf/jhgt-24.2(117-122)(2017-02).pdf

Journal of the Hwa Gang Textile, 2017.02, Vol.24, No.2

118

前言

隨著科技武器不斷進步，迫使防護裝甲的材料

與結構不斷的發展。在戰場上防護裝甲的使用範圍

包括人員、車輛、船艦、飛機與建築物等，而最新的

裝甲防護技術往往首先應用在戰車（裝甲車）與人員

防護衣上，目前較受廣泛應用的防護裝甲為前板陶

瓷搭配背板纖維或金屬等高韌性材料，當兩者結合

後稱為陶瓷複合式材料，我國自行研發的雲豹八輪

甲車，在車身前面即採用外掛陶瓷板、鋼板、及內裝

Kevlar 纖維組成的複合式裝甲，故研究更高強度及更

輕量化之抗彈陶瓷材料便相當重要。

陶瓷搭配纖維物的抗彈複合材料，在抗衝擊過

程中，大致上可以分為兩個階段如圖 1 所示[1]，第

一階段投射體的高速度撞擊使陶瓷產生一個粉碎區，

高硬度陶瓷碎片即對投射體產生鈍化及消耗大量動

能，第二階段纖維背板的高韌性作用，透過交錯纖維

及疊層的特殊結構，持續吸收殘餘動能[2]。

圖 1 陶瓷複合材料之抗彈原理示意圖

研究方法

實驗規劃

本研究以彈道實驗結果作為評估之依據，目的

在於可提供量化之數據以供設計、分析比較之用。實

彈測試採用美國NIJ 0108.01 規範之 IV級測試標準，

如表 1。子彈為 0.3〞穿甲彈 (AP)，彈道初速為

853~883 (m/s)。並由式 1 計算出吸收能量，探討分析

氧化鋁分別搭配不同背板的抗彈能力，即吸收能量

越高，代表其抗彈能力愈佳。

2 21 1

2 2

A i rE mv mv (1)

其中 EA 為靶板吸收能量(J)，m 為點 30 穿甲彈

彈頭重(kg)，vi為點 30 穿甲彈之彈頭初速(m/s)，vr 為

點 30 穿甲彈之彈頭穿板後殘餘末速(m/s)。

表 1 NIJ 測試規範標準表

等級測試彈藥

種類

彈頭重量

(公克)

建議槍管長度

(公分) 要求彈速

(m/s)

Ⅰ 22LRHV

Lead 6 15~16 320±12

Ⅱ 9mm

FMJ 8.0 10~12 358±12

Ⅲ-A 9mm

FMJ 8.0 24~26 426±15

Ⅲ 7.62mm

FMJ 9.7 56 838±15

Ⅳ 30-06

AP 10.8 56 868±15

註：AP-穿甲彈 FMJ-全金屬軟套彈 LRHV-長來福槍高速彈

實驗設備

彈道實驗以 0.3〞精度槍管搭配可調式槍座作為

發射投射體之平台，在試片前後裝設光閘擷取訊號，

傳送至示波器，以波形顯示訊號強度及投射體經兩

光閘之時間，配合光閘距離可計算投射體之初末速，

其相關設備位置示意圖，如圖 2 所示。

圖2 實驗設備位置示意圖

數值模擬

利用 ANSYS/LS-DYNA 數值模擬軟體，首先以

ANSYS 程式作為前處理器，進行投射體與各類型材

料組合靶板的高速撞擊數值分析模型的建置，包含

模型繪製、網格劃分、定義材料特性、材料模型選用、

接觸方式及控制參數與邊界條件之設定，並編輯產

生一資料輸入檔(K File)。再則將此資料輸入檔輸入

LS-DYNA 軟體的求解器(Solver)進行計算求解後，交

由後處理器(LS-PrePost)進行靶板貫穿的破壞模式分


119

析、評估投射體之殘餘速度及貫穿深度的計算結果

與圖表可視化的編輯，數值模擬的分析流程如圖 3，

本研究靶板之材料參數如表 2、表 3、表 4。

選擇單元類型及定義材料屬性

建立ANSYS模型及網格劃分

設定邊界條件及求解控制參數

匯入求解器求解

進行後處理檢視運算結果

與實驗結果相互比較

前處理階段

求解階段

後處理階段

相符

不相符

圖 3 數值模擬分析流程圖

表 2 陶瓷(Al2O3)材料參數

密度 ρ(g/cm3) 3.94

剪切模數 G(GPa) 1.58

完整化強度參數 A 0.91

裂縫強度參數 B 1

應變率強度參數 C 0.006

破碎強度參數

（壓力指數） M 0.65

完整化強度參數

（壓力指數） N 0.47

參考應變率 EPSI 1.0

最大拉伸強度 T(GPa) 2.59

最大斷裂強度 SFMAX 1.0

彈性極限 HEL(GPa) 0.053

壓力分量 PHEL(GPa) 0.028

塑性應變斷裂參數 D1 0.1

塑性應變參數 D2 1.0

體積模量 K1(GPa) 2.54

第二壓力係數 K2(GPa) 0

第三壓力係數 K3(GPa) 0

表3 纖維背板Dyneema材料參數

E11,22

(GPa)

E33

(GPa)

G12

(GPa)

G23,13

(GPa) ν12 ν13,23

30.7 1.97 1.97 0.67 0.008 0.044

ρ

(g/cm3)

Xt

(GPa)

Yt

(GPa)

Sn

(GPa)

Yc

(GPa)

0.97 3.0 3.0 0.95 2.5

Eij：楊氏模數，Gij :剪切模數，νij:波松比，ρ：密度

1-3：材料軸 x、y、z 方向

Xt、Yt：x、y 軸方向材料拉伸強度

Sn：一般拉伸強度

Yc：y 軸方向壓縮強度

表 4 纖維背板 Goldflex 材料參數

E11,22

(GPa)

E33

(GPa)

G12

(GPa)

G23,13

(GPa) ν12 ν13,23

90.039 1.97 42.35 34.31 0.0063 0.0312

ρ

(g/cm3)

Xt

(GPa)

Yt

(GPa)

Sn

(GPa)

Yc

(GPa)

1.29 3.0 3.0 0.96 2.5

Eij：楊氏模數，Gij :剪切模數，νij:波松比，ρ：密度

1-3：材料軸 x、y、z 方向

Xt、Yt：x、y 軸方向材料拉伸強度

Sn：一般拉伸強度

Yc：y 軸方向壓縮強度

數值模擬參數取得

運用 ANSYS/LS-DYNA 數值模擬軟體時，必須

先取得各材料模型之材料參數，以進行各項控制參

數的設定，以本研究而言，共計有彈體(鋼、銅)、靶

板(陶瓷、Dyneema 及 Goldflex 纖維)，其中除了

Goldflex 纖維外，其餘參數均可藉由參考文獻獲得；

Goldflex 纖維部分則另做拉伸試驗取得部分材料參

數，試驗得到拉伸強度、應變量、並藉以求得楊氏係

數，泊松比參考 Kevlar 的值帶入、剪切模數由計算

獲得，其餘須輸入參數，參考相關文獻計算[6]。

抗彈板組合分析

抗彈板由氧化鋁(Al2O3)陶瓷分別與 Dyneema 及

Goldflex 纖維背板組合而成，陶瓷具有低密度、高硬

度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、使用壽命長之特性[3]，

不同陶瓷其特性亦有所不同，陶瓷特性比較如表 5[4]，

選擇氧化鋁主要考量國內技術成熟度及製作成本；

纖維具有超高抗拉強度、超高彈性模量、低密度、抗

疲勞、抗磨損及抗腐蝕等特性，Dyneema 纖維為目前


120

最具輕量化及高強度兩大特點之材料，另選擇

Goldflex 纖維主要因其為更新型的材料具更高強度

之特點。

表 5 陶瓷特性比較表

材料密度

(g/cm3) 硬度(HV)

彈道

性能重量價格

氧化鋁 3.9 2300 一般重便宜

碳化矽 3.1 2550 好輕一般

碳化硼 2.51 2800-4950 良最輕較高

抗彈板厚度直接影響抗彈性能，本實驗設定總

厚度為 12 mm，經研究發現，當陶瓷板材為 6 mm時，

可有效分散彈頭衝擊能量[5]，本研究選用之氧化鋁

(如圖 3) 厚度即為 6 mm，密度為 3.9g/cm3，其製作

流程及成品如圖 4 所示。纖維選用 Dyneema 及

Goldflex (如圖 5)，密度分別為 0.97 及 1.29g/cm3，以

熱壓機將之熱壓成型為 6 mm 厚之纖維板，最後將陶

瓷與纖維背板交叉搭配，以環氧樹脂接合成抗彈板，

其組合排列情形如表 6 所示。

圖 4 陶瓷製作流程及成品圖

圖 5 纖維板製作成品(左為 Goldflex，右為 Dyneema)

表 6 抗彈板組合表

試片種類總厚度

(mm)

陶瓷厚度

(mm)

背板厚度

(mm)

面密度

(g/cm2)

Al6D6 12 6 6

2.922

Al6G6 3.114

為配合實驗目標，以輕量化抗彈板為目的，在實

際應用上將面密度納入評估條件，陶瓷複合式材料

的面密度(A)計算公式如下：

c c k k

A h h (2)

其中 A 為複合材料面密度(g/cm2)，ρc =陶瓷板體積

密度(g/cm3)，hc =陶瓷板厚度(cm)，ρk =纖維疊層板

體積密度(g/cm3)，hk =纖維疊層板厚度(cm)。

結果與討論

彈道實驗

在等厚度條件下，由彈道實驗結果(每組實驗重

複 4 次之平均值)，可以觀察到氧化鋁搭配 Dyneema

的組合抗彈板陶瓷及纖維板有脫層現象，Goldflex 的

組合抗彈板脫層現象則較不明顯，如圖 6 所示；但兩

種組合的初、末速則差異不大，如表 7 所示。

圖 6 陶瓷與纖維板脫層情形(左為 Goldflex，右為

Dyneema)

表 7 彈道實驗紀錄表

試片

編號總厚度

(mm)

初速

(m/s)

末速

(m/s)

脫層

狀況凹陷深度

(mm)

Al6D6 12 861 563 有 68

Al6G6 12 870 555 無 22

背板吸收能量

在同陶瓷條件下，Deneema 凹陷情形明顯大於

Goldflex (圖 7)，由表 4 得知凹陷度約為 Goldflex 之

三倍，拉伸變形吸收高能量，在陶瓷均為氧化鋁下，

Deneema 與 Goldflex 吸收能差僅 19 J，比較單位面

密度吸收能，Deneema 較 Goldflex 高 39 J，吸收能量

提升約 5.6%，如表 8 所示。


121

圖 7 纖維板凹陷深度量測(上為 Dyneema，下為

Goldflex)

表 8 陶瓷吸收能分析表

試片

編號吸收能

(J)

面密度

(g/cm2)

單位面密度

吸收能(J)

單位面密度

吸收能差異(%)

Al6D6 2123 2.922 726.557 5.6

Al6G6 2142 3.114 687.861

數值模擬分析結果

使用數值模擬軟體觀察陶瓷複合板抗衝擊現象

時，必須比對數值模擬與實驗的殘餘末速，作為模擬

相關參數修正。表 9 為樣本 Al6G6、Al6D6 之數值模

擬與實驗的殘餘末速比較，兩者誤差值分別為 4.3%

及 13.8%；圖 8 則為各陶瓷複合板遭彈頭穿透後之結

果，Al6D6 模擬之破壞模式及末速均與實驗相符，

Al6G6 則有稍大的誤差，判斷應為部分材料參數無法

完整獲得所致。

表 9 實驗值與模擬值比較表

試片

編號

實驗值模擬值

誤差(%) 初速

(m/s)

末速

(m/s)

初速

(m/s)

末速

(m/s)

Al6D6 861 563 861 587 4.3

Al6G6 870 555 870 632 13.8

圖 8 模擬結果圖(上為 Dyneema，下為 Goldflex)

結論

本研究係以同材質的氧化鋁搭配 Dyneema 及

Goldflex 纖維組成之陶瓷複合材料進行抗彈性能評

估。純就纖維疊層板的吸收能量來分析，主要為纖維

剪切能、纖維拉伸能、纖維斷裂能及層間脫層能等，

由結果可得知，Deneema 的凹陷程度大於 Goldflex，

因此可判斷 Deneema 疊層板的拉伸能大於 Goldflex，

惟此現象不論於人員防護裝備上或拼接裝甲上，背

板大變形對於防護效果有負面影響；根據 NIJ 規範，

人員防護裝備以凹陷程度做為判定標準，越大之凹

陷深度表示對於人員防護效果越差，而對於拼接式

裝甲，背板大變形將導致受撞擊與鄰近陶瓷脫層，導

致防護效果下降，因此 Deneema 與 Goldflex 雖兩者

能量吸收相近，但 Goldflex 於實際應用上應會有較

佳之表現。

參考文獻

1. Feli, S., Yas, M.H., and Asgari, M.R., An

Analytical Model for Perforation of Ceramic/

Multi-Layered Planar Woven Fabric Targets by

Blunt Projectiles, Composite Structures, Vol. 93,

548-556(2011)

2. 劉志祥，陶瓷纖維複合板抗侵徹特性研究，博

士論文，武漢理工大學，武漢，中國，13-30

(2008)

3. 周尚南、黃肇瑞、鄭慶安、羅文賾、李丁福、

盧鴻華，陶瓷基抗彈複合材料之研究，95 年


122

度國防科技學術合作計畫成果發表會論文集，

桃園，台灣，233(2006)

4. 黃忠良，工程陶瓷，富漢出版社，台北，台

灣， 8、9、16、17、22、23(1992)

5. 謝岳霖、李貴琪、張偉瑤、陳世傑，陶瓷抗彈

材料之射擊模擬研究，華岡紡織期刊，第十五

卷，第四期(2008)

6. 胡年明、朱錫、侯海量、陳長海，高速破片侵

徹下高分子聚乙烯層合板的彈道極限估算方

法，中國艦船研究，第 9 卷，第 4 期，55-

62(2014)

致謝

感謝中科院五所提供之學術合作計畫經費補助。

陶瓷複合材料數值模擬及抗彈性能研究117-122)(2017-02).pdfgoldflex...

Documents