【關鍵詞】高性能纖維 軟質防彈服 防彈性能

1引言

防彈服是在特定的環境下，為了保證人的生命安全而穿著的一種個體防護裝備。它通過吸收和耗散彈體的動能，有效的保護人體受防護部位^[1]。根據防彈服的使用材料，可分為硬質防彈服和軟質防彈服。軟質防彈服是以高性能纖維為服料，具有質地柔韌、質量輕、防彈效果好的優點。軟質防彈服不僅性能優良，且外觀較普通服裝毫不遜色^[2]，深受廣大工作者的喜歡。

2軟質防彈服防彈機理及其影響因素

2.1軟質防彈服的工作機理

軟質防彈服防彈主要通過兩種途徑：一是防彈服將彈體碎裂后形成的破片彈開，防止彈體碎片對人體的傷害；二是通過防彈材料消釋彈體的動能，通過防彈層在受侵徹過程中的變形、破壞，消耗彈體破碎的動能，達到防止彈體或碎片對人體的貫穿性損傷，以及避免彈體沖擊波對人的非貫穿性損傷的目的^[1，2，3]。以高性能纖維為主要服料的軟質防彈服，其防彈機理以后者為主，其防彈能力可以由公式（1）表征：

R²=W×C               （1）

式中：R為防彈性能；W為斷裂能量吸收率；C為纖維中的聲速。C由纖維的模量和韌性決定，模量越高，韌性越好，C就越大，防彈性能就越好。

2.2防彈性能影響因素

軟質防彈服防彈性能是以材料對彈體或碎片能量的吸收程度來衡量的。防彈材料吸收能量的性能主要受纖維的結構和性能影響，如比強度、比模量、韌性、密度等。因而，應用于軟質防彈服的高性能纖維應滿足以下基本要求^[4]：

（1）纖維應具有良好的強度。軟質防彈服主要通過足夠高的強度來抵御彈體的沖擊力、防止彈體貫穿而達到防彈的目的。目前認為用于防彈衣纖維的纖維強度應高于2.2 GPa。很多高性能纖維都具有良好的強度性能。如：軍用和警用防彈衣實際應用的芳綸1313纖維強度可達到3.38 GPa以上，超高分子量聚乙烯纖維的強度為2.7 GPa。

（2）纖維應具有較好的變形能力。即較高的模量和較低的斷裂伸長。如果防彈材料的模量過高，斷裂伸長過低，則斷裂功過小，無法有效的吸收彈體和碎片的動能；如果模量過低，斷裂伸長過高，則受到彈擊擊中時，防彈材料容易變形，即使彈體未貫穿防彈材料，也可能發生非貫穿性損傷。

（3）纖維應具有良好的沖擊波傳遞能力。該性能可以將彈體的沖擊能量及時擴散，避免過度集中的受力對人體造成損傷。

（4）防彈材料的力學性能不應該對濕度、含水率敏感，以避免在落水后發生性能變化。

3常用軟質防彈服材料及其性能

3.1幾種高性能纖維的性能對比

3.1.1碳纖維

碳纖維由石墨微晶構成，其含碳量高于90%，具有優良的理化學性能，其基本性能見表1。碳纖維強度和模量高，斷裂伸長小，無蠕變，耐疲勞性好，聲速C值大；但其斷裂伸長率太小，斷裂功較小，在受到彈體沖擊時，吸收彈體動能性能較差，容易損傷，其防彈能力較差。因此碳纖維一般只作為補強材料，與其他材料配合制成復合防彈材料使用^[6，7]。

3.1.2芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維是由線型芳香族聚合物制備而成，其商品名為芳綸。目前在防彈領域應用較為廣泛的是對位芳香族聚酰胺纖維，其主鏈大分子通常呈現高度規則性、沿大分子軸向排列，取向度高，形狀為棒狀結構；在大分子鏈中存在較強的共價鍵和較弱的氫鍵；在酰胺基中，氧原子和氮原子的電子會產生共軛效應，具有良好的物理化學性能。最具代表性的是Kevlar纖維，其基本性能見表1。Kevlar纖維具有很高的斷裂強度，較高的模量和斷裂伸長，其吸收能量的能力較碳纖維有很大的提高。Kevlar纖維使用的溫度范圍也較寬，在-196℃～250℃范圍內可正常使用；此外，Kevlar纖維有良好的絕緣性和抗腐蝕性，對有機溶劑、鹽溶液有很好的穩定性，生命周期很長；其聲速C值也較大，具有優良的防彈性能。但Kevlar纖維對水分和紫外線較為敏感，長時間曝露于日光中和潮濕環境中，其強度會有較大的損失^[7，9]。

3.1.3超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

UHMWPE纖維是由荷蘭DSM公司采用凝膠紡絲法制備而成，是繼碳纖維、Kevlar纖維之后的第一種高性能超高分子量聚乙烯纖維，其基本性能見表1。UHMWPE纖維結晶度高，大分子主鏈結合強度高的特點使其具有很高的強度和模量：UHMWPE纖維的比強度比芳綸高35%，比碳纖維高50%；比模量僅低于碳纖維，是芳綸的2.5倍；而且由于該纖維在常規準靜態條件下具有較高的模量，能形成較高的聲速傳播，從而使得在防護彈體沖擊時吸收能量和傳遞應力波的能力較高；由于UHMWPE纖維的表面呈化學惰性，該纖維具有優異的耐化學性、耐侯性、防水性和耐光性等特點。而且，該纖維密度是所有高性能纖維中最小的纖維，可以大大的減輕工作人員體力強度。因此從防彈衣的防彈性和舒適性等綜合性能分析，UHMWPE纖維是目前公認的防彈性能最好的纖維。但是UHMWPE纖維的耐熱和粘接性較差，最高使用溫度僅為100℃，當該防彈服被彈體擊中時容易出現熔融破壞的現象^[8]。

3.1.4玻璃纖維

玻璃纖維具有高強高摸特點，且其資源分布廣泛，價格低，在防彈領域中占有著獨特的市場地位，特別透明性使其在防彈頭盔的護目鏡等防彈裝備中占有無法取代的位置。另外，玻璃纖維還具有耐高溫、抗腐蝕、強度高、比重和吸濕低及絕緣好等一系列優異特性。但是玻璃纖維斷裂伸長率較大，當被彈體擊中時，彈著點的凹陷變形容易使人體受到傷害。且其聲速較其他高性能纖維低，其對彈體的沖擊能分散能力較其他高性能纖維差。

3.1.5碳納米管纖維

碳納米管與高分子材料結構相似，但其穩定性要比高分子材料高很多。若將其制成復合材料，可使其具有良好的強度、彈性、抗疲勞性和各向同性的特點。目前，碳納米管纖維的拉伸強度實驗值最大可達200GPa，是碳纖維的20倍，至少比常規石墨纖維高一個數量級；具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa；彈性模量為1.8TPa，與金剛石的彈性模量相當。碳納米管纖維密度很小，只有鋼的1/6，作為纖維材料紡成布后完全能滿足軟質防彈服的要求^[4]。

以上幾種高性能纖維的性能比較結果見表1。

3.2高性能纖維防彈復合材料

隨著科學技術日新月異，各類殺傷性武器的出現，單一的高性能纖維越來越難滿足防彈性能要求，因而，具有各項綜合性能的防彈復合材料有了進一步的發展。目前，常用作復合材料基體的高性能纖維主要有碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玻璃纖維等。這些高性能纖維與纖維增強樹脂能復合出性能更加優越的防彈復合材料，如：質量輕、柔韌性好、防護效果好等優點。因此高性能防彈復合材料在軟質防彈衣領域取得快速的發展。如第三軍醫大學利用防彈復合材料在防雷靴與防彈背心領域取得了很大的發展^{[5，10，11，12]}。

但由于防彈復合材料是由多種材料復合而成，防彈復合材料存在不均勻性、各向異性、本構關系復雜、破壞機理復雜、強度準則復雜等特點，這些問題一旦解決，軟質防彈衣將會有巨大的發展。

4結論與展望

通過以上分析與研究，我們得出以下結論：

（1）高性能纖維在輕質防彈服領域有較為廣泛的應用，纖維的發展也促使了軟質防彈服的發展。

（2）高性能纖維由于性能的不足引起軟質防彈服防彈性能的缺陷，有待于解決與提高。

（3）高性能防彈復合材料性能較單一高性能纖維優良，更能滿足軟質防彈服的功能性的需要，是未來軟質防彈服發展的方向。