高性能纤维在软质防弹服材料中的应用

【关键词】高性能纤维 软质防弹服 防弹性能

1引言

防弹服是在特定的环境下，为了保证人的生命安全而穿着的一种个体防护装备。它通过吸收和耗散弹体的动能，有效的保护人体受防护部位^[1]。根据防弹服的使用材料，可分为硬质防弹服和软质防弹服。软质防弹服是以高性能纤维为服料，具有质地柔韧、质量轻、防弹效果好的优点。软质防弹服不仅性能优良，且外观较普通服装毫不逊色^[2]，深受广大工作者的喜欢。

2软质防弹服防弹机理及其影响因素

2.1软质防弹服的工作机理

软质防弹服防弹主要通过两种途径：一是防弹服将弹体碎裂后形成的破片弹开，防止弹体碎片对人体的伤害；二是通过防弹材料消释弹体的动能，通过防弹层在受侵彻过程中的变形、破坏，消耗弹体破碎的动能，达到防止弹体或碎片对人体的贯穿性损伤，以及避免弹体冲击波对人的非贯穿性损伤的目的^[1，2，3]。以高性能纤维为主要服料的软质防弹服，其防弹机理以后者为主，其防弹能力可以由公式（1）表征：

R²=W×C               （1）

式中：R为防弹性能；W为断裂能量吸收率；C为纤维中的声速。C由纤维的模量和韧性决定，模量越高，韧性越好，C就越大，防弹性能就越好。

2.2防弹性能影响因素

软质防弹服防弹性能是以材料对弹体或碎片能量的吸收程度来衡量的。防弹材料吸收能量的性能主要受纤维的结构和性能影响，如比强度、比模量、韧性、密度等。因而，应用于软质防弹服的高性能纤维应满足以下基本要求^[4]：

（1）纤维应具有良好的强度。软质防弹服主要通过足够高的强度来抵御弹体的冲击力、防止弹体贯穿而达到防弹的目的。目前认为用于防弹衣纤维的纤维强度应高于2.2 GPa。很多高性能纤维都具有良好的强度性能。如：军用和警用防弹衣实际应用的芳纶1313纤维强度可达到3.38 GPa以上，超高分子量聚乙烯纤维的强度为2.7 GPa。

（2）纤维应具有较好的变形能力。即较高的模量和较低的断裂伸长。如果防弹材料的模量过高，断裂伸长过低，则断裂功过小，无法有效的吸收弹体和碎片的动能；如果模量过低，断裂伸长过高，则受到弹击击中时，防弹材料容易变形，即使弹体未贯穿防弹材料，也可能发生非贯穿性损伤。

（3）纤维应具有良好的冲击波传递能力。该性能可以将弹体的冲击能量及时扩散，避免过度集中的受力对人体造成损伤。

（4）防弹材料的力学性能不应该对湿度、含水率敏感，以避免在落水后发生性能变化。

3常用软质防弹服材料及其性能

3.1几种高性能纤维的性能对比

3.1.1碳纤维

碳纤维由石墨微晶构成，其含碳量高于90%，具有优良的理化学性能，其基本性能见表1。碳纤维强度和模量高，断裂伸长小，无蠕变，耐疲劳性好，声速C值大；但其断裂伸长率太小，断裂功较小，在受到弹体冲击时，吸收弹体动能性能较差，容易损伤，其防弹能力较差。因此碳纤维一般只作为补强材料，与其他材料配合制成复合防弹材料使用^[6，7]。

3.1.2芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维是由线型芳香族聚合物制备而成，其商品名为芳纶。目前在防弹领域应用较为广泛的是对位芳香族聚酰胺纤维，其主链大分子通常呈现高度规则性、沿大分子轴向排列，取向度高，形状为棒状结构；在大分子链中存在较强的共价键和较弱的氢键；在酰胺基中，氧原子和氮原子的电子会产生共轭效应，具有良好的物理化学性能。最具代表性的是Kevlar纤维，其基本性能见表1。Kevlar纤维具有很高的断裂强度，较高的模量和断裂伸长，其吸收能量的能力较碳纤维有很大的提高。Kevlar纤维使用的温度范围也较宽，在-196℃～250℃范围内可正常使用；此外，Kevlar纤维有良好的绝缘性和抗腐蚀性，对有机溶剂、盐溶液有很好的稳定性，生命周期很长；其声速C值也较大，具有优良的防弹性能。但Kevlar纤维对水分和紫外线较为敏感，长时间曝露于日光中和潮湿环境中，其强度会有较大的损失^[7，9]。

3.1.3超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

UHMWPE纤维是由荷兰DSM公司采用凝胶纺丝法制备而成，是继碳纤维、Kevlar纤维之后的第一种高性能超高分子量聚乙烯纤维，其基本性能见表1。UHMWPE纤维结晶度高，大分子主链结合强度高的特点使其具有很高的强度和模量：UHMWPE纤维的比强度比芳纶高35%，比碳纤维高50%；比模量仅低于碳纤维，是芳纶的2.5倍；而且由于该纤维在常规准静态条件下具有较高的模量，能形成较高的声速传播，从而使得在防护弹体冲击时吸收能量和传递应力波的能力较高；由于UHMWPE纤维的表面呈化学惰性，该纤维具有优异的耐化学性、耐侯性、防水性和耐光性等特点。而且，该纤维密度是所有高性能纤维中最小的纤维，可以大大的减轻工作人员体力强度。因此从防弹衣的防弹性和舒适性等综合性能分析，UHMWPE纤维是目前公认的防弹性能最好的纤维。但是UHMWPE纤维的耐热和粘接性较差，最高使用温度仅为100℃，当该防弹服被弹体击中时容易出现熔融破坏的现象^[8]。

3.1.4玻璃纤维

玻璃纤维具有高强高摸特点，且其资源分布广泛，价格低，在防弹领域中占有着独特的市场地位，特别透明性使其在防弹头盔的护目镜等防弹装备中占有无法取代的位置。另外，玻璃纤维还具有耐高温、抗腐蚀、强度高、比重和吸湿低及绝缘好等一系列优异特性。但是玻璃纤维断裂伸长率较大，当被弹体击中时，弹着点的凹陷变形容易使人体受到伤害。且其声速较其他高性能纤维低，其对弹体的冲击能分散能力较其他高性能纤维差。

3.1.5碳纳米管纤维

碳纳米管与高分子材料结构相似，但其稳定性要比高分子材料高很多。若将其制成复合材料，可使其具有良好的强度、弹性、抗疲劳性和各向同性的特点。目前，碳纳米管纤维的拉伸强度实验值最大可达200GPa，是碳纤维的20倍，至少比常规石墨纤维高一个数量级；具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；弹性模量为1.8TPa，与金刚石的弹性模量相当。碳纳米管纤维密度很小，只有钢的1/6，作为纤维材料纺成布后完全能满足软质防弹服的要求^[4]。

以上几种高性能纤维的性能比较结果见表1。

3.2高性能纤维防弹复合材料

随着科学技术日新月异，各类杀伤性武器的出现，单一的高性能纤维越来越难满足防弹性能要求，因而，具有各项综合性能的防弹复合材料有了进一步的发展。目前，常用作复合材料基体的高性能纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维等。这些高性能纤维与纤维增强树脂能复合出性能更加优越的防弹复合材料，如：质量轻、柔韧性好、防护效果好等优点。因此高性能防弹复合材料在软质防弹衣领域取得快速的发展。如第三军医大学利用防弹复合材料在防雷靴与防弹背心领域取得了很大的发展^{[5，10，11，12]}。

但由于防弹复合材料是由多种材料复合而成，防弹复合材料存在不均匀性、各向异性、本构关系复杂、破坏机理复杂、强度准则复杂等特点，这些问题一旦解决，软质防弹衣将会有巨大的发展。

4结论与展望

通过以上分析与研究，我们得出以下结论：

（1）高性能纤维在轻质防弹服领域有较为广泛的应用，纤维的发展也促使了软质防弹服的发展。

（2）高性能纤维由于性能的不足引起软质防弹服防弹性能的缺陷，有待于解决与提高。

（3）高性能防弹复合材料性能较单一高性能纤维优良，更能满足软质防弹服的功能性的需要，是未来软质防弹服发展的方向。